Исследователи из МФТИ, ЦНИИ робототехники и технической кибернетики, Нижегородского университета имени Лобачевского и Балтийского федерального университета имени Канта рассчитали аэродинамику машущего крыла орнитоптера (летательного аппарата, который держится в воздухе за счёт взмахов, как птица). Интерес к таким машинам растёт: дроны самолётной и вертолётной схемы шумят, тратят много энергии и ограничены в манёврах, а у птиц этих недостатков нет.
Сложность в том, что птичье крыло одновременно поднимается и опускается, поворачивается, складывается и меняет форму. Обычные методы расчёта такое движение передают лишь приближённо. Авторы использовали деформируемую расчётную сетку: она не перестраивается заново при каждом положении крыла, а растягивается и сжимается вместе с ним, сохраняя число ячеек. Так законы сохранения выполняются точно. По словам авторов, для трёхмерной задачи о машущем крыле этот метод применили впервые.
Прототипом послужила механическая модель орнитоптера, созданная в МФТИ: её крылья сделаны из непроницаемой ткани, натянутой на спицы, размах составляет 0,908 м. В расчёте крылья заменили тонкими поверхностями нулевой толщины, а корпус не учитывали. Сложный взмах свели к двум простым качаниям: вверх-вниз с амплитудой 15° и повороту крыла вокруг своей оси (крутке) на 5–7°. Встречный поток задали со скоростью 20 м/с, это 72 км/ч, примерно так летят перелётные утки и гуси.
При частоте 4 Гц средняя подъёмная сила совпала с той, что даёт неподвижное крыло, а сопротивление лишь ненадолго становилось отрицательным. При 8 Гц подъёмная сила осталась прежней, но вместо сопротивления появилась тяга. Сильнее всего крыло и тянуло вперёд, и держало вверх в момент опускания. Больший угол атаки (наклон крыла к потоку) усиливал тягу. Рост крутки с 5 до 7° сглаживал колебания подъёмной силы, но на среднюю тягу почти не влиял.
Главный вывод для конструкторов: подъёмную силу создаёт угол атаки, а тягу дают сами колебания крыла. Значит, задачи можно разделить: высоту держать наклоном аппарата (углом тангажа), а скорость регулировать частотой и углами взмаха.
Пока это численный эксперимент с заметными упрощениями. Модель в рамках работы не летала и в аэродинамической трубе не продувалась. Следующим шагом заведующий лабораторией нейробиоморфных технологий МФТИ Виктор Казанцев назвал подбор и оптимизацию режимов взмаха, чтобы модель летала эффективнее. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
