Могут ли БПЛА летать почти без затрат энергии?
У некоторых птиц — скажем, альбатросов — существуют механизмы, блокирующие суставы крыла в одном положении на протяжении основной части полёта, да и крыльями они до взлёта и посадки почти не машут. Их аэродинамика, таким образом, сравнительно проста. По крайней мере теоретически, ибо прагматические попытки её изучения столкнулись со значительными трудностями.
Основная заключалась в том, что альбатрос весьма тяжёл, а летает на скоростях, превышающих 100 км/ч, хотя никаких помогающих восходящих потоков над морем нет. А вот это ещё важнее: птица преодолевает огромные расстояния, по сути, без пауз, причём при солидной трате времени на охоту. Так, за 33 дня альбатрос может покрыть 15 200 км — то есть лететь в среднем быстрее 56 км/ч. А отдельные сероголовые альбатросы были замечены в путешествии на 22,4 тыс. км за 46 дней (кругосветный парусный рекорд 2012 года). Стало быть, на кругосветку им достаточно 1,5 месяца (20 км/ч), причём некоторые птицы без остановки выдавали на-гора по две кругосветки. Если бы энергию на полёт они черпали из поедаемой рыбы, путешествие кончилось бы куда быстрее! Выходит, альбатрос пользуется какими-то иными источниками?
Чтобы выяснить это, полёт сей «птички» надо досконально изучить. На первый взгляд — за чем же дело стало, ведь общая идея полёта понятна? Альбатросы работают как очень продвинутый ветрогенератор на основе планера или воздушного змея, нечто подобное мы с вами уже делали. Схема же их полёта обманчиво проста. Они а) набирают высоту с наветренной стороны, б) разворачиваются на 180° в сторону в высшей точке траектории, в) плавно спускаются в подветренную сторону, г) разворачиваются на 180° почти у самой водной глади, и заканчивается всё пунктом а). Ясно, что в пункте а) они накапливают энергию, в б) и в) преобразуют потенциальную в кинетическую, причём в последней из этих стадий её так много, что птица способна за весь цикл проделать существенный путь против того самого ветра, от которого она «запитывается».
Техника совсем не грани фантастики, не так ли? У поверхности моря ветер натыкается на препятствия, и чем они значительнее, тем быстрее он тормозится. Этот 10–20-метровый пограничный слой после замедления сам становится препятствием для слоёв над ним. И постепенно замедляет их, хотя и не так сильно. Эксплуатируя разность в скоростях ветра в отдельных потоках, альбатрос берёт энергию для парения от градиента ветра у поверхности, а такой градиент над территориями с ветром и волнами есть почти всегда.
Однако общее понимание процесса не поможет нам воспроизвести его. Как именно альбатрос берёт энергию у разности скоростей воздушных потоков? Мы не знаем, ибо долгое время моделирование затруднялось массой малоизвестных переменных. В связи с этим высказывались предположения, что птицы черпают энергию не только у градиента скорости, но и забирая её от каких-то иных процессов, идущих в атмосфере и до сего момента неизвестных.
Чтобы разрешить проблему, исследователи из Института динамики летающих систем при Мюнхенском техническом университете (ФРГ) использовали метод оптимизации, известный как периодический оптимальный контроль. Ранее по такой же модели рассчитывался спуск космического шаттла на планировании. При этом в симуляцию закладывались некоторые внешние параметры (максимально допустимые перегрузка и тепловая нагрузка при спуске и т. д.), кои ограничивали расчёты с общей целью минимизации использования топлива для корректировки курса.
Сочетая данные по подъёмной силе крыльев альбатроса и их сопротивлению с известными параметрами ветров на различной высоте над морем, исследователи во главе с инженером Йоханессом Трауготтом (Johannes Traugott) и биологом Анной Нестеровой получили систему дифференциальных уравнений, описывающих динамику полёта этой птицы.
Ну а введены были два ограничения. Во-первых, кинетическая и потенциальная энергия полёта в начале (а) и в конце (г) циклов должна быть одинакова — иначе альбатрос был бы вынужден вкладывать в полёт собственную энергию, что быстро привело бы его к истощению. Во-вторых, программа, анализирующая полёт, должна была искать такие виды манёвров, которые работали бы с минимально возможными скоростями.
И вот результат: минимальная скорость ветра на высоте 10 м должна быть от 8,6 до 8,9 м/с — иначе энергетически нейтрального цикла не получалось. Собственно динамическое парение на систематической основе возможно только тогда, когда скорость ветра не падает ниже 8,3 м/с. Отсюда вполне понятно, почему альбатросы предпочитают жить в районах, подобных ревущим сороковым южного полушария (или даже в неистовых пятидесятых).
Ключевым в моделировании стало следующее: теперь точно ясно, что для полёта без затрат энергии альбатросы могут ограничиться использованием лишь одного механизма, не обращаясь к каким-то иным, неведомым нам процессам. Нет для этих летунов никакой нужды в помощи волн, турбулентности или чего-то ещё.
Очевидно, что столь смелые модельные утверждения нуждались в проверке. И здесь учёных ждал сюрприз. Чтобы снять данные нужной — сантиметровой — точности, даже лучшая геодезическая аппаратура с частотой обновления позиционирования в 10 Гц имела такой вес, что альбатрос с ней просто не взлетел бы. Да и расстояние до базовой станции было несравнимо с дальностями альбатросов. А первоначальная калибровка требовала 15 минут неподвижности, что явно за пределами возможностей столь подвижного существа.
Для преодоления сложившегося замкнутого круга учёные использовали обычные GPS-средства вроде тех, что есть в вашем автонавигаторе, только более миниатюрные. Но вместо передачи данных раз в секунду с точностью метрового порядка (слишком малой) датчики сбрасывали исследователям сырую GPS-информацию, которую те анализировали на наземном оборудовании с калибровкой, что и позволило добиться нужной аккуратности. Сделать это удалось только потому, что абсолютная точность GPS-маяка учёных не интересовала — главное было получить картину изменения положения альбатроса во времени вне зависимости от того, где он этот маневр начал. (Конечно, проблему связи с наземной станцией решить не получилось: GPS-логгер мог лишь накапливать данные, а не передавать их; для прямой передачи на тысячи километров требовался бы слишком тяжёлый аппарат.)
Как оказалось, энергия птицы в нижней части траектории над самыми волнами была близка к нулю, то есть никакого дополнительного эффекта от близости волн в её полёте не было, всё диктовалось чисто аэродинамическими явлениями. Увы, остались и неясности. Точно измерить скорость альбатроса GPS-логгеры, сделанные специально для эксперимента, не смогли, а поставить трубку Пито не позволяли сами «летательные аппараты» — весьма раздражительные и крупные существа. За кадром также остались крен, тангаж и рыскание, хотя авторы верят, что после доработки инерционных сенсоров на микроэлектромеханической основе выяснят и эти детали.
При всей важности понимания этих нюансов для точного выяснения того, как именно можно повторить «успех альбатросов», заметим, что главное тут другое — то, что удалось твёрдо установить: полёт без затраты на него энергии в атмосфере Земли возможен, и для других биологических видов он не более экзотичен, чем для нас ходьба.
Ура, товарищи? Следовательно, мы можем создать БПЛА, способные летать там, где встречаются два потока воздуха разной скорости? Кроме морской поверхности, это могут быть высотные струйные течения, градиенты которых иногда превышают 5 м/с на 1 км. И если что-то подобное удастся-таки реализовать, то высотные наблюдательные дроны смогут буквально жить в воздухе — месяцами, без дозаправки. А это ситуация, которая может существенно изменить наш мир: