الهام گرفته از پرواز پرندگان، مهندسان اخیراً با افزودن ردیف‌هایی از فلاپ‌هایی به بال‌های هواپیما که شبیه به پوش‌پرهای پرندگان طراحی شده‌اند، عملکرد هواپیماهای کنترل از راه دور را بهبود بخشیده‌اند. این فلاپ‌ها که بر اساس پوش‌پرهای پرندگانی که در مانورهای خاصی از آنها استفاده می‌کنند ساخته شده‌اند، به هواپیما کمک می‌کنند تا از واماندگی جلوگیری کرده و پایداری را بهبود بخشند.
بهبود عملکرد هواپیمایی
تحقیقاتی که تحت هدایت پروفسور ایمی ویسا از دانشگاه پرینستون انجام شده، نشان می‌دهد که با استفاده از تغییرات سبک و کم‌هزینه‌ای که نیاز به قدرت اضافی ندارند، می‌توان پیشرفت‌های چشمگیری در عملکرد هواپیمایی ایجاد کرد.
ویسا می‌گوید: «این فلاپ‌ها می‌توانند به هواپیما کمک کنند تا از واماندگی جلوگیری کند و زمانی که واماندگی اتفاق می‌افتد، کنترل را آسان‌تر به دست بیاورد.»
این فناوری یادآور زیست‌شناسی پرندگان، به ویژه پوش‌پرهایی است که پرندگان در هنگام فرود یا برخورد با بادهای ناپایدار از آنها استفاده می‌کنند.
اگرچه زیست‌شناسان این حرکات پوش‌پرها را مشاهده کرده‌اند، هیچ مطالعه‌ای به طور دقیق اثرات آیرودینامیکی آنها را در پرواز پرندگان اندازه‌گیری نکرده است. اما این مطالعه نشان می‌دهد که چگونه فلاپ‌های مشابه می‌توانند روی هواپیماها عمل کنند.
فلاپ‌های الهام گرفته از پرندگان، آیرودینامیک را بهبود می‌بخشند
گِرگویس سدکی، محقق فوق دکترا و نویسنده اصلی این مطالعه، فلاپ‌ها را به عنوان «راهی ساده و مقرون به صرفه برای بهبود چشمگیر عملکرد پرواز بدون نیاز به توان اضافی» توصیف کرد.
این فلاپ‌ها با تقلید از پوش‌پرها، در پاسخ به تغییر جریان هوا به کار می‌افتند و نیازی به سیستم‌های کنترل خارجی ندارند. وقتی به طور استراتژیک قرار داده شوند، این فلاپ‌های انعطاف‌پذیر عملکرد و پایداری هواپیما را بدون نیاز به ماشین‌آلات پیچیده بهبود می‌بخشند.
شکل قطره‌اشک بال پرندگان
اصل طراحی بر اساس شکل قطره‌اشکی بال است که جریان هوا را در قسمت بالایی تسریع کرده و با ترکیب فشار کم در بالا و نیروی رو به بالا در پایین، نیروی بالابر ایجاد می‌کند.
در شرایط خاص پروازی، به ویژه در زوایای تند، هواپیما ممکن است با کاهش شدید نیروی بالابر، واماندگی کند. با افزودن فلاپ‌های الهام گرفته از پوش‌پرها، محققان دریافتند که می‌توانند این کاهش نیروی بالابر را خنثی کرده و به هواپیما امکان کنترل بیشتر بدهند.
تیم ویسا آزمایش‌های تونل باد را در محوطه فارستال پرینستون انجام داد تا ببینند چگونه این فلاپ‌های الهام گرفته از پوش‌پرها بر حرکت هوا در اطراف بال‌ها تأثیر می‌گذارند.
سدکی توضیح داد: «آزمایش‌های تونل باد اندازه‌گیری‌های دقیقی از چگونگی تعامل هوا با بال و فلاپ‌ها به ما می‌دهند.» تنظیمات شامل حسگرهایی بود که نیروهای آیرودینامیکی روی بال‌ها را ثبت می‌کردند و همچنین از یک لیزر و دوربین پرسرعت برای ضبط جریان هوا استفاده شد.
کشف اسرار بال‌های پرندگان
در طول آزمایش‌ها، پژوهشگران دو مکانیزم کنترلی آیرودینامیکی شناسایی کردند که یکی از آنها – به نام تعامل لایه برشی – پیش‌تر ناشناخته بود.
این تعامل زمانی اتفاق می‌افتد که فلاپی نزدیک به جلوی بال جریان هوا را تنظیم کرده و پایداری را افزایش می‌دهد. وقتی فلاپ‌ها در نزدیکی قسمت پشتی قرار می‌گیرند، مکانیزم دوم را فعال می‌کنند و در افزایش نیروی بالابر بیشتر کمک می‌کنند.
آزمایش ترکیبات مختلف، از یک ردیف تا پنج ردیف فلاپ، نشان داد که یک تنظیم پنج‌ردیفه نیروی بالابر را ۴۵ درصد افزایش و درگ را ۳۰ درصد کاهش می‌دهد.
ویسا گفت: «کشف این مکانیزم جدید، رازی را درباره علت وجود این پوش‌پرها در نزدیکی جلوی بال‌های پرندگان آشکار کرد.»
افزودن فلاپ‌های بیشتر در نزدیکی جلوی بال عملکرد را بهبود بخشید، که نشان می‌دهد پوش‌پرهای پرندگان احتمالاً نقش حیاتی در کنترل آیرودینامیکی آنها دارند.
از آزمایشگاه تا میدان: آزمایش در دنیای واقعی
پس از موفقیت آزمایش‌های تونل باد، تیم به آزمایش‌های میدانی در محوطه فارستال پرینستون پرداختند.
آنها با ناتانیل سایمون، دانشجوی تحصیلات تکمیلی که در پرواز پهپاد تخصص دارد، همکاری کردند تا فلاپ‌های الهام گرفته از پوش‌پرها را روی یک هواپیمای کنترل از راه دور (RC) مجهز به کامپیوتر پرواز روی برد، آزمایش کنند.
سایمون کامپیوتر را برنامه‌ریزی کرد تا شرایط واماندگی را به صورت مکرر ایجاد کند و به تیم امکان مشاهده عملکرد فلاپ‌ها و اثربخشی آنها در کاهش شدت واماندگی را بدهد.
سایمون گفت: «همکاری در فضای مشترک محوطه فارستال و مشاهده این که چندین حوزه تحقیقاتی به این پروژه مرتبط شدند، جالب است.»
موفقیت در شرایط واقعی با یافته‌های تونل باد همخوانی داشت و تأیید کرد که این فلاپ‌ها می‌توانند واماندگی را به‌طور قابل‌توجهی به تأخیر انداخته و پرواز را تثبیت کنند.
کاربردهای آینده فراتر از هوانوردی
فراتر از هوانوردی، پژوهشگران معتقدند که این دیدگاه‌های زیست‌الهام‌بخش می‌توانند برای بهبود عملکرد در دیگر حوزه‌ها نیز مفید باشند.
سدکی گفت: «آنچه درباره نحوه تغییر جریان هوا در اطراف بال به وسیله پوش‌پرها کشف کردیم، می‌تواند در دیگر مایعات و اجسام نیز قابل استفاده باشد، مانند خودروها، وسایل نقلیه زیرآبی و حتی توربین‌های بادی.»
این مطالعه همچنین درهای جدیدی را برای همکاری با زیست‌شناسان باز می‌کند تا درک ما از پوش‌پرهای پرندگان در پرواز عمیق‌تر شود. ویسا پتانسیل بالایی را برای پیشرفت در هر دو حوزه مهندسی و پژوهش‌های زیست‌شناختی از طریق این کشفیات می‌بیند.
او نتیجه‌گیری کرد: «این قدرت طراحی زیست‌الهام‌بخش است؛ توانایی انتقال دستاوردها از زیست‌شناسی به مهندسی برای بهبود سیستم‌های مکانیکی ما و همچنین استفاده از ابزارهای مهندسی برای پاسخ به پرسش‌های زیست‌شناختی.»
این مطالعه در مجله‌ی Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.
