Исследователи Московского физико-технического института и их коллеги смоделировали аэродинамику орнитоптера — летательного аппарата, который держится в воздухе за счет машущих крыльев. Расчеты показали, что при частоте взмахов 8 Гц даже плоское крыло без толщины может создавать тягу вместо сопротивления воздуха. Средняя подъемная сила не меняется по сравнению с неподвижным крылом.
Для моделирования ученые использовали цифровую версию механического орнитоптера, разработанного в МФТИ. Размах его крыльев составляет 90,8 см. В расчетной модели корпус не учитывали, а крылья и хвостовое оперение представили в виде тонких поверхностей. Это позволило исследовать, как на аэродинамические силы влияет именно движение крыльев.
Главной сложностью стало моделирование деформации границ крыла во время взмахов. Для решения задачи исследователи применили метод деформируемых расчетных сеток: сетка меняет форму вместе с крылом, сохраняя число ячеек. Такой подход позволяет точнее учитывать физические законы сохранения при расчёте потока воздуха.
Ученые рассмотрели несколько режимов полета при скорости набегающего потока 20 м/с. В модели движение крыла складывалось из двух колебаний: взмаха с амплитудой 15 градусов и крутки — поворота крыла вокруг собственной оси с амплитудой от 5 до 7 градусов.
При частоте взмахов 4 Гц средняя подъёмная сила составила 6,8 Н — столько же, сколько у неподвижной модели. Среднее сопротивление достигало 0,26 Н. При увеличении частоты до 8 Гц подъемная сила в среднем осталась прежней, но продольная сила сменила направление: вместо сопротивления появилась тяга величиной 0,206 Н.
Дополнительные расчеты показали, что тяга увеличивается при росте угла атаки. Изменение амплитуды крутки в исследованном диапазоне влияло на нее значительно слабее: при увеличении угла с 5 до 7 градусов средняя тяга уменьшилась примерно с 0,21 до 0,18 Н.
Результаты помогают разделить две задачи управления полетом: создание подъемной силы и поддержание движения вперед. Подъемная сила в рассмотренной модели зависит прежде всего от угла атаки, а продольная тяга возникает благодаря кинематике взмахов. Это дает конструкторам возможность подбирать режимы движения крыла с помощью компьютерного моделирования, не перебирая все варианты на физическом прототипе.
В работе также участвовали специалисты ЦНИИ РТК, Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского и Балтийского федерального университета имени И. Канта. Следующим этапом ученые планируют оптимизировать параметры взмахов, чтобы повысить эффективность полета орнитоптера.
Источник: Минобрнауки России
Читайте также: Создан чип, который запоминает информацию с помощью проточной воды