Беспилотные летательные аппараты могли бы находится в воздухе дольше с меньшими затратами энергии, если бы использовали на первый взгляд нелогичную стратегию парения сапсанов.

Термические восходящие потоки (термики) возникают в результате нагрева приземного слоя воздуха на определенных участках территории. Пилоты и птицы пользуются такими потоками, чтобы набрать высоту или замедлить скорость снижения. Небольшим летательным аппаратам, оснащенным двигателями, термики помогают дольше находиться в воздухе, сокращая затраты энергии. Неудивительно, что разработчики беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) стремятся найти оптимальные стратегии поиска и использования восходящих потоков.

Существует набор правил, которыми пользуются планеристы при полете по спирали в термиках. Эти правила сформулированы немецким пилотом Хельмутом Райхманном:

1. Если скорость подъема увеличивается, расширьте спираль, уменьшив угол крена.

2. Если скорость подъема уменьшается, сожмите спираль, увеличив угол крена.

3. Если скорость подъема остается постоянной, сохраняйте радиус спирали неизменным.

Правила Райхманна работают достаточно хорошо, но всё же имеют ряд ограничений. Например, турбулентность может сбить пилота с толку, создавая видимость того, что он находится в термике, или наоборот — маскируя существующий восходящий поток.

Существуют и другие подходы. Например, недавно исследователи начали «на лету» анализировать данные GPS и информацию об угле крена в сопоставлении с данными о вертикальных скоростях летательного аппарата вдоль проделанного маршрута. Такой анализ позволяет оценить параметры термиков и использовать их более эффективно. Проблема описанного метода в том, что он требует значительных вычислительных и энергетических ресурсов. А для БПЛА этот фактор является решающим.

Жужа Акош (Zsuzsa Ákos) из Университета Этвеша в Венгрии совместно с группой коллег предлагает другой подход. Проследив с помощью видеокамер и GPS за полетом сапсанов, исследователи отметили, что эти мастера парящего полета используют стратегию, кажущуюся нелогичной: вместо того, чтобы закручивать спираль в одном направлении, чтобы остаться в пределах одного термика, птицы постоянно меняют направление спиралей.

На первый взгляд, это выглядит странно: меняя направление спирали, летун быстро окажется за пределами восходящего потока. Но Акош и её коллеги смоделировали такой полет и утверждают, что в нем есть определенная логика. Ключевым моментом к пониманию этой логики является то, что атмосфера наполнена восходящими потоками, которые распространяются в пространстве весьма сложным образом. Согласно построенной учеными модели, изменение направления спирали позволяет летуну «прощупать» воздух более тщательно, повышая вероятность того, что он найдет лучший термик. Такой подход является наиболее эффективным в условиях турбулентной атмосферы.

Новая стратегия является несложной с точки зрения вычислений и требует мало энергии для реализации. БПЛА смогут летать дольше, копируя поведение сапсана в полете.

Тем не менее, работу венгерских исследователей нельзя назвать завершенной. Например, неясно, насколько именно новый подход эффективнее тех же правил Райхманна. По словам Акош, моделирование демонстрирует превосходство стратегии смены направления при относительно небольших диаметрах термиков, тогда как правила Райхманна следует применять для больших потоков, которые проще отличить от турбулентных возмущений.

Ученым еще предстоит подробно изучить, как птицы решают эту задачу. У природы было несколько больше времени для работы над проблемой, чем у разработчиков БПЛА. И хотя ученые уже начали использовать эволюционные алгоритмы для поиска решений, им все еще есть чему поучиться у птиц.

О том, как используют термики летательные аппараты, пилоты которых остаются на земле, читайте в статье «Парители: Тихая свобода».

По сообщению The Physics arXiv Blog