Pustułka ma 22 stopnie swobody. Dron ma cztery. Dlatego wiatr wygrywa

Pionowy podmuch potrafi wywołać w małym skrzydle nawet stukrotnie większe wahania siły nośnej niż poziomy.

Gdy zrywa się wiatr, operator drona ma jedno wyjście: wracać na ziemię. Nieważne, czy maszyna niesie paczkę, kamerę, czy głowicę bojową. To nie niedogodność, lecz fundamentalne ograniczenie aerodynamiki - a natura poradziła sobie z nim miliony lat temu.

Pionowy podmuch to prawdziwy zabójca

→ Czytaj też: 25 tysięcy humanoidów w fabrykach. Hyundai stawia na roboty Atlas

Zespół z RMIT University w Melbourne oraz Uniwersytetu w Bristolu odwrócił inżynieryjnie australijską pustułkę (Falco cenchroides), by zrozumieć, jak zawisa nieruchomo w porywistym powietrzu.

Badania opublikowane w dwóch pracach w Journal of the Royal Society Interface pokazały skalę problemu. Pionowy podmuch o tej samej sile co poziomy generuje od 25 do 100 razy większą zmienność siły nośnej w małym skrzydle - zależnie od jego kształtu. To najczęstszy typ zaburzenia na małej wysokości, dokładnie tam, gdzie latają małe bezzałogowce. A zmiany klimatu mają go w kolejnych dekadach nasilić.

22 stopnie swobody kontra cztery

→ Czytaj też: Rok w powietrzu - mikrofale z ziemi zasilą drona BAE Systems

Przepaść między ptakiem a maszyną okazała się ogromna. Pustułka ma ponad 22 stopnie swobody, by korygować pozycję w locie. Typowy dron - cztery.

Ptak jest też odpowiednio lżejszy tam, gdzie trzeba. Jego masa skupia się w tułowiu, więc obraca się i koryguje reakcję na podmuch mniej więcej dwa razy szybciej niż dron podobnej wielkości. Porównywalny mikropojazd po prostu niesie zbyt duży ciężar obrotowy w swojej ramie.

„Ptaki nie polegają na jednej reakcji na podmuchy wiatru. Nieustannie regulują skrzydła i ogon, by zachować równowagę, a naturalna elastyczność piór i stawów pomaga pochłaniać nagłe zmiany przepływu powietrza” - tłumaczy Matt Penn z RMIT.

Robot zbudowany z tomografii

Aby zmierzyć realne siły, badacze zbudowali wierną robotyczną replikę ptaka na podstawie skanów CT prawdziwych okazów. Robot odtwarza sprzężone ruchy skrzydła - wyprost nadgarstka i łokcia - oraz ruch ogona. Testowano go w tunelu aerodynamicznym przy prędkości 7 m/s.

Sekret tkwi we współpracy skrzydeł i ogona. Gdy oba rozkładają się równocześnie, przyrost siły nośnej jest większy niż suma obu ruchów osobno, ale ich efekty pochyleniowe znoszą się nawzajem. Ptak zyskuje nośność do zwalczenia pionowego podmuchu, w ogóle nie zmieniając kąta lotu. Dron, który zwiększa nośność mocą silników lub wychyleniem sterów, nieuchronnie się przechyla.

Sam ogon działa jak pokrętło stabilności. Rozłożony szeroko silnie opiera się podmuchom. Podwinięty czyni ptaka niemal neutralnym - mniej stabilnym, za to zwinniejszym. Pustułka przełącza się między tymi ustawieniami w czasie rzeczywistym. Żaden obecny dron tego nie potrafi.

System czucia, którego nie ma żadna maszyna

Przewaga ptaka wykracza poza sprytne siłowniki. Pióra pustułki rozkładają się automatycznie pod obciążeniem aerodynamicznym, zapobiegając oderwaniu przepływu. Nitkowate pióra - filoplumy, zakończone nerwami - wykrywają wibracje i punkty oderwania na bieżąco. Mechanoreceptory w stawach nieustannie monitorują obciążenia konstrukcji.

Droga z laboratorium na niebo nie będzie krótka. Jak przyznaje Abdulghani Mohamed z RMIT, stabilność ptaka nie wynika z jednej sztuczki, lecz z wszystkich mechanizmów działających razem. Odtworzenie tego w lekkiej, taniej platformie to prawdziwe wyzwanie. Następny krok zespołu to zbadanie, jak pustułka przewiduje turbulencje, zanim jeszcze w nią uderzą - co mogłoby otworzyć drogę do sterowania predykcyjnego. Jeśli się uda, kolejne drony nie będą walczyć z wiatrem. Będą go ujeżdżać jak sokół.