Giriş: Doğa, Sonraki Nesil Uçuşu için Mavi Bir Baskı Olarak

Daha verimli, çevik ve sessiz uçak arayışı, geleneksel aerodinamik tasarımların ötesine bakmak için mühendislere yol açtı.Bir yüzyılda, sabit ve döner-köpek konfigürasyonlar havacılıka hükmeddi, ancak bu biyo-yapıcı yaklaşım arasındaki ticareti ortadan kaldırdılar. Doğa, çoğu zaman, uçuş, mükemmel bir şekilde milyonlarca yıl boyunca uçuş, uçuş, mükemmel bir şekilde, böcekler ve yaralamalar, insan yapımı makinelerinin yeteneklerini çok daha fazla güçlendirdi.

Malzeme bilimi, mikroelectromechanical sistemler (MEMS), ve gerçek zamanlı kontrol algoritmaları, biyo-inspired fping-wing uçaklarını pratik uygulamalara daha yakın bir şekilde getirdi.Küçük gözetimli hava taksileri ile geleceğe yönelik araştırmalardan, potansiyel çok geniştir.Bu makale, fıstık kanatlarının temel mekaniklerini inceler, biyolojik ilham sürüş tasarım seçimlerini, geleneksel platformlardaki avantajları, kalan önemli mühendislik zorlukları ve önümüzdeki iki on iki on yıl boyunca yeniden şekillendirmeye söz veren araştırma sınırlarından.

Flapping Wing Mechanics'ı Anlamak

Sabit bir kanattan farklı olarak, sadece hava ile ilgili ileri hareketle kaldırılan, bir çırpıcı kanat hem asansörü hem de bir döngü ile itilir, üç boyutlu hareket. Anahtar kinematik bileşenler, çırpıcı (parçalı) ve clap-ve-fling (gezeme) gibi olumsuz fenomenleri içerir.

Flapping Cycles Of The Kinematics of the Flapping Cycle

Tipik bir fıstık döngüsü, aşağı bir saldırının en iyi açısını korumak için aşağı yukarı doğru hareket eder ve vücuduna göre hareket eder, daha düşük yüzeyde ve düşük basınç üzerinde yüksek baskı yaratır, birçok kuş ve büyük böceklerde görüldüğü gibi, yukarı doğru yukarı doğru bir şekilde hareket eder.

Küçük Ölçeğin yerine getirilmesi

Reynolds'ta küçük kuşların ve böceklerin tipik sayıları (birkaç yüz ila on binlerce arasında ayarlandığında), kalıcı aerodinamik, gözlemlenen asansör nesli açıklamaya başarısız olur.

Flapping, Sabit ve Rotary Wings

Sabit uçak yüksek hızlı, düşük soğuk yolculukta uzun mesafelere kadar yüksek performanslı bir yolculuğa çıkarlar, ancak VTOL'nin enerji verimliliği ve iniş (VTOL) ve eğimlerini genişleterek, ancak yüksek enerji tüketimi ve akustik gürültülerini eşsiz bir orta zemine sokamazlar: Enerjiye verimli bir şekilde uçuş vaatleriyle VTOL kabiliyetlerini birleştirebilirler, özellikle de düşük hızlarda.

Biyolojik İlhamlar: Kuşlar, böcekler ve Bats

Doğadaki fıstık uçuşlarının çeşitliliği zengin bir tasarım kütüphanesi sunar. Mühendisler, mühendis sistemlere ölçeklenebilecek ilkeleri elde etmek için farklı gruplar çalışırlar.

Avian Flight: Pasif ve Aktif Morphing

Peregrine sahtekar, albatross ve atlı kuş aşırı adaptasyonlar gösteriyor. Büyük soaring kuşlar pasif kanat morfing - esnek eklemler ve dağıtılmış hareketlerin yerini ve sabit olmayan kuşların yerinin azaltılması gibi farklı ve yeniden yönlendirilmesi.

Böcek Uçuşu: Yüksek Yeterlik ve İstikrar

Böcekler, özellikle sinekler, arılar ve arılar, yüksek kanat uç frekanslarında (birkaç yüz onuntz’a kadar) çalışır ve doğrudan sanata dayalı olmayan kanatlara karşı dolaylı uçuş kaslarını kullanırlar.

Bat Flight: Adaptif Membran Kanatları

Bats, sürekli olarak güçlü uçuşa sahip olan tek memelilerdir. Kanatları ince, elastik bir membrandan oluşur ve vücut tarafından yapılan bir parmak kemiği ve vücut tipi füzyon.Bu membran, inme sırasında sürekli bilgilendirilir ve sıkı bir şekilde hareket ettirilebilir.[Dönemli bir uçuşa izin verir).

Bio-Inspired Flapping Kanatlarının Avantajları

Biyolojik çalışma ve mühendislik prototiplemeleri, fping kanatlarının geleneksel konfigürasyonlar üzerinde sağlayabileceği birkaç somut avantaj tespit etti.

  • [FONT:0]Unmatched Maneuverability ve Agtitude:[Dönekli kanatlar, yön, hız ve tutumları ayrı kontrol yüzeylerini gerektiren herhangi bir noktada, darbenin yakın zamanda büyük güç üretme yeteneği geri kazanamaz ve yuvarlanır.
  • [FONT:0) Düşük Hızlarda Enerji Verimliliğinin İyileştirilmesi:[Dönerge:0) Sabit kanatlar yüksek seyir hızlarında verimli olsa da, iniş sırasında verimsiz hale gelir ve keskin bir şekilde yüksek bir yük aralığına sahip yüksek performanslı bir araç için yüksek performanslı bir şekilde yüksek performanslı bir şekilde çalışır. Örneğin, uçan bir at kuşluk hızıyla karşılaştırılabilir bir hızda, ancak kanat uçları ve amplifiğe izin verir.
  • [FONT:0)Redük Akustik ve Radar İmzası: Yüksek hızlı dönen bıçakların veya pervanelerin yokluğu, gürültü imzasını önemli ölçüde azaltır. Owls neredeyse sessiz bir şekilde uçabilir; mühendisin kanatları, yumuşak, göz ardı edilebilir malzemeler ve dikkatli kenar geometrileri kullanarak bunu kolayca ortaya çıkarabilir.
  • [FONT:0] İnsan Ortamlarında Görevli Güvenlik: Çünkü fıstık kanatları genellikle hafiftir ve düşük uç hızlarda çalışır, etkiden yaralanma riski, dönen rotorlardan daha düşük. Bu özellik, insanlara yakın çalışmalıdır - parsel teslimat, inceleme veya acil yanıt için.
  • [FONT:0) Çok- ⁇ Adaptability:[Dönetici:[Dönetici:0) A FİLYONUÇA (Dönetici) Uçakları, uçarak, yavaş hızlı uçuş ve hızlı bir şekilde, hatta uçarak kanatlarını perching veya kavramak için kullanabilir - geleneksel hava çerçeveleri için imkansız işlevleri, kanat uçsuz ve şekillenebilir.

Mühendislik Challenges and Research Frontiers

Açık avantajlarına rağmen, mevcut platformlarla rekabet edebilecek veya aşabilecek pratik bir makyaj uçağı inşa etmek birkaç derin teknik problemi çözmeyi gerektirir.

Malzeme ve Yapısal Sınırlar

Kanatlar, sabit kanatların üzerindeki bu noktaları aşacak kadar döngüsel stres ve yorgunluk deneyimliyor. kanat yapısı, milyonlarca hızlı osilatöre dayanacak kadar güçlü olmalı (örneğin, plastik polimerler), ve biyo-görüntü modelleri için çok sert veya çok ağırdır.

Akışkan Tasarım ve Güç Yoğunluğu

Bir fıstık kanatı için kullanışlı bir iteratör, yüksek frekanslarda yüksek kuvvet yoğunluğunu sağlamalıdır (10-200 Hz, böcek benzeri araçlar için) düşük ağırlıkla.Mevcut elektromanyetik motorlar küçük ölçekli sınırlar nedeniyle umut vericidir. Piezoelektrik hareketleri, RoboBee'de kullanılanlar gibi, yüksek frekanslı yüksek frekanslı yüksek frekanslı yüksek enerji yoğunlukları sunar ve sertleştirici bir şekilde pompalanır.

Kontrol Stability and Autonomy

Flapping-wing uçakları doğal olarak kararsızdır ve hızlı, sürekli ayarlamalar gerektirir. Bir sinek işleme işleminin doğal uçuş kontrolörü ve mekanik giriş ve güncelleştirme kanat hareket hızı 100'den fazla Hz. Sistem tanımlamasıyla birlikte, özellikle de kontrol edilen bir mikro kontrol cihazı, ağırlık ve güç kısıtlamaları özel algoritmaları (örneğin, doğrusal olmayan bir tutum kontrolü, uyarlayıcı geri bildirim lineer olmayan bir geri bildirim lineerleştirme) ve sensörler (küçük gyroskoplar, optik akış sensörleri) öğrenme sistemleri öğrenme, özellikle de sistem tanımlama ile birlikte öğrenme, stridesler: son deneylerin ortaya çıkmasını ve uçuşları göstermiştir.

Yasaları ve Reynolds Sayı Etkileri

Aerodinamik ve yapısal fizik boyutla büyük ölçüde değişir. 10 cm'de güzel çalışan bir kanat, sadece 1 m'ye kadar ölçeklenemeyecektir.Küçük ölçeklerde, vizektomi ve kompontaj verimlidir; daha büyük ölçekli güçler egemendir ve gerekli güç, doğrusal olmayan bir şekilde sabit olmayan uçaklara kadar uzanır.

Enerji Depolama ve Güç Teslimatı

Mevcut makyaj prototipleri genellikle dış bir güç kaynağına bağlanır veya birkaç dakika boyunca uçuş süresine sınırlayan ağır bataryalar taşıyabilir.Karşıtlık hareketi önemli bir güç ve üst düzey uçuşta uçuş yapmak, enerji patlamalarının pil kimyası gerektirdiğini gerektirir.

Mevcut Araştırma Prototipleri ve Notable Şeytanstrators

Çeşitli laboratuvarlar ve şirketler sanat durumunu gösteren işlevsel makyaj uçaklarını inşa ettiler.

  • [FONT:0)RoboBee (Harvard Üniversitesi): [Dövücü böcek-ölge robotu (ortalama - 3 cm) pastazoelektrik hareketleri ve sert, mensiz kanat tasarımı kullanır. Kontrol edilebilir, yukarı doğru, hatta ince filmli bir yük hücreleri dahil etmek için küçük bir ücret yükü.
  • [DelFly Nimble (Delft Teknoloji Üniversitesi): [Delft 1] 28-gram veya iki kanat, bir ejderha gibi konfigürasyonunda ayarlandı.
  • [Ücretsiz:0)Bat Bot (University of Illinois, Caltech): ), A 93-gram, yumuşak sağlanmış bir robot, bir yaralanmış iskelet mimik bir yara ile tamamen eklemlenmiş bir kanat eklemleri gösterir. silikon membranı tekrar büyür, yüksek camlı varyasyonu gösterir. Bat Bot stabil bir aksırır ve nazik bir şekilde çırpıcı uçuş gösterir.
  • [FONT:0) Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuarı (AFRL) Ornithopter: [Dönetici: 1 $ daha büyük, kuş ölçekli bir platform ( 1 m kanatpan) manevra kabiliyeti ve gust mitigation incelemek için kullanılır. dört bar bağlantı mekanizmasının elektrikli motorla kullanılmasını sağlar ve uçuş ve bankacılık dönüşlerini sürdürdü.
  • [FONT:0)Nano Hummingbird (AeroVironment): [Dönetici:0] Aktif gelişimde artık bu tamamen işlevsel veyanopter 16 cm kanatla uçabilir ve hatta arka uçabilir, gözetim için bir kamera ödeme yükü taşıyabilir.

Bu prototipler, aerodinamik modelleri, kontrol algoritmaları ve yapısal kavramlar için test yatakları olarak hizmet eder. Bir sonraki nesil tam özerkliği, daha uzun dayanıklılık (30 + dakika), ve çevresel dayanıklılığını entegre etmeyi amaçlamaktadır.

Future: Research to Practical Aircraft

İleriye bakıldığında, biyo-inspired fping kanatları, potansiyel olarak daha geniş havacılık dönüştürmekten önce niş alanlarda ilk pratik uygulamalarını bulmak olasıdır.

Şehir ve Kapalı Operasyonlar için Mikro Hava Araçları

En acil dağıtım, gözetim için hafif uçaklarda, arama-ve-rescue ve binalarda veya yoğun kentsel ortamlarda denetim altına alınacaktır. Yavaş yavaş uçabilme ve çarpışmalara karşı direnme yeteneği onları insanlar ve kırılgan altyapıdaki operasyonlar için ideal kılar.

Urban Air Mobility (UAM) Morphing Wings (UAM) ile

Tam ölçekli plataj-wing yolcu uçağı uzak durgun olsa da, orta ölçekli hava taksileri (500-1000 kg) şu anda gürültüyü azaltmak ve VTOL verimliliğini artırmak için çırpınabilir. NASA ve akademik merkezlerde yapılan araştırmalarda kanatlar sadece yolcu için sert bir şekilde kilitlenebilir - bu tür uçaklardan ödünç alan karma konfigürasyonları azaltabilir.

Uzak Alanlarda Çevresel İzleme

Flapping-wing platformları, en az rahatsızlıkla yok etmek için doğal olarak daha sağlam ve karmaşık arazi üzerinde çok düşük irtifalarda uçabiliyorlar. ekolojik izlemeyi devrimleştirebilirler: örnek yaralar ve kuşlar onları bozmadan veya haritalama orman kanopları da onları en az rahatsızlıkla haritalar.

Bio-manufacturing and Multi Function Materials

Sağlam, ışık, makyaj kanatları için akıllı malzemeler diğer endüstrilere batabilir. Kendi kendine özgü cilt, dağıtık kaslar ve enerji-a Özerk eylemciler robotik, prosthetics ve adaptif bir mimaride kullanabilirler. Bu olgun teknolojiler olarak, daha ticari uygulamalar açmak için daha fazla ticari uygulama sağlayacaktır.

Sonuç: Bir Flapping Wing Era'nın Yavaş Şafakı

Biyo-nedenli fıstıklı kanat mekaniği uygulaması aniden bir devrim değil, aynı zamanda, biyoloji ve mühendislik füzyonu. Son iki yılda, temel aerodinamikleri anlamak için taşındık, geri kalan engeller ve hayatta kalan engeller. - güç yoğunluğu, biyolojik ve mühendislikte kontrol - tahmin edilebilir, ancak disiplin işbirliği yoluyla yönlendirilen araştırma ivmeleri sunar.

Uzun vadede, fıstık kanatları asla jetliner veya kargo uçaklarını değiştirmeyebilir, ancak temel prensiplerini ve modern mühendisliğin araçlarını kullanarak yeniden dengeler ve verimli uçaklarla yeniden dengeler.Şimdi, kompozitler, AI - doğal ve yapay fliers arasındaki sınırları mükemmel bir şekilde kopyalamak için değil, aynı zamanda modern mühendislik araçlarıyla onları yeniden hayal kırıklığına uğratacaktır.

[FONT:0) Daha fazla okuma için, ilerici uzaylarda yayınlanan [Dönemli uçuş] ve [[Döntgenler[Döncükler) [Dönergeler için geçerli olan araştırmalar[Döncükler için geçerli).

Ayrıca okuma ve Kaynaklar

  • [FONT:0)Ornithopter – Wikipedia).
  • [FONT=0)Bir uçuş - Wikipedia[Dönem: 1 )
  • [0]Mikro hava aracı – Wikipedia[Dönem:0)
  • [FONT:0)Bioinspired kanat sessiz uçuş için tasarımlar (Bilimsel Gelişimler)).
  • [Uygunluk:0)Uygunluk mekaniği ()[Dönem: 1)