Самолеты научились приземляться по-птичьи

Каждый, кто летал на самолете, знает, что для приземления лайнер выходит на посадочную траекторию, касается взлетной полосы, а затем некоторое время тормозит при помощи реверса двигателей и основной тормозной системы. Инженеры Массачусетского технологического института, занимающиеся компьютерным моделированием и робототехникой, придумали, как посадить самолет без тормозного пути на жердочку, как это делают птицы.

Срыв потока

В основе птичьего умения быстро сбрасывать скорость при приземлении лежит знакомое физикам явление, называемое срывом потока. Перед приземлением птицы резко поворачивают крылья так, что воздух позади них начинает образовывать вихри. Это приводит к падению подъемной силы и резкому увеличению лобового сопротивления, которое быстро гасит скорость. Для самолета срыв потока чреват катастрофическими последствиями. Во время полета угол атаки крыльев большинства самолетов меняется в довольно узком диапазоне. При этом воздух обтекает поверхность крыла ламинарно, то есть без завихрений, и существует четкая зависимость между подъемной силой и углом атаки на данной скорости. При достижении некоего критического угла атаки ламинарное обтекание крыла неконтролируемо переходит в турбулентное, растет сопротивление, подъемная сила падает, и при неправильных действиях экипажа происходит сваливание, грозящее гибелью самолета.

Математические уравнения, описывающие ламинарное обтекание крыла, давно изучены, поэтому современные лайнеры так четко откликаются на команды пилотов. Однако при сваливании возникают силы и эффекты, для просчета которых до сих пор требовалось много времени.

Профессор «Эм-Ай-Ти» Расс Тедрейк и студент Рик Кори создали математическую модель, позволяющую контролировать полет небольшого планера на запредельных углах атаки. Экспериментальный планер весил всего 90 граммов и управлялся только рулями высоты. В опытах планер запускали с разными скоростями с высоты 3,5 метра над целью. Датчики, установленные на стенах лаборатории, следили за положением планера в разные моменты времени. После непродолжительного снижения планер по команде компьютера за доли секунды выполнял сваливание и цеплялся специальным крюком за натянутый трос.

Несваляшка

Инженеры создали программу, автоматически компенсирующую отклонения самолета от выбранной траектории при полете на запредельных углах атаки. В любой момент времени движение планера происходит в воображаемом туннеле, в центре которого — траектория, высчитанная программой, а радиус — максимальная величина отклонений. Планер может и выскочить за пределы своего туннеля — в таком случае он попадет в соседний, который также приведет его к цели, но уже с другой последовательностью сигналов коррекции.

Разработанная система управления стала призером устроенного корпорацией Boeing студенческого конкурса за 2010 год. Сам процесс контролируемого сваливания занимал доли секунды — в этот момент планер подлетал вверх, эффективно тормозился и цеплялся за трос. В аэродинамической трубе, наполненной дымом, ученые могли проследить за образованием за задней кромкой крыла планера воздушных вихрей.

Ясно, что для гражданской авиации этот метод посадки неприемлем. Однако он может оказаться полезным для разработчиков небольших беспилотных самолетов. Подобные электрические беспилотники могли бы часами кружить над территорией, сами приземляться и заряжаться от электрических проводов. Разработкой ученых заинтересовались и военные. «То, что сделали Расс и Рикк, — уникально. Не думаю, что кто-то занимался проблемой управления полетом так детально», — заявил Грегори Рейч из Исследовательской лаборатории ВВС США.