Ingeniører studerer fugleflyvning med henblik på at forbedre ubemandede droner

Folk har været fascineret af fugleflugt i århundreder, men præcis hvordan fugle kan være så adrætte i luften er stadig mystisk. En ny undersøgelse, offentliggjort 5. september i Proceedings of the National Academy of Sciences , bruger modellering og aerodynamik til at beskrive, hvordan måger kan ændre formen på deres vinger for at kontrollere deres reaktion på vindstød eller andre forstyrrelser. Lektionerne kunne en dag gælde ubemandede luftfartøjer eller andre flyvende maskiner.

"Fugle udfører let udfordrende manøvrer, og de er tilpasningsdygtige, så hvad præcist ved deres flyvning er mest nyttigt at implementere i fremtidige fly?" sagde Christina Harvey, assisterende professor i Department of Mechanical and Aerospace Engineering ved University of California, Davis og hovedforfatter på papiret.

Harvey begyndte at studere måger som masterstuderende i zoologi ved University of British Columbia, efter at have opnået sin bachelorgrad i maskinteknik.

"Måger er meget almindelige og nemme at finde, og de er virkelig imponerende svævefly," sagde hun.

Harvey fortsatte sit arbejde med måger som doktorand ved University of Michigan. Hun kom for nylig på fakultetet på UC Davis efter at have afsluttet sin ph.d.-grad i rumfartsteknik.

I marts i år udgav Harvey og kolleger ved University of Michigan en artikel i Nature analysere flyvedynamikken for 22 fuglearter. Mens tidligere undersøgelser har haft en tendens til at fokusere på aerodynamik - hvordan luft bevæger sig rundt om en fugl - har Harvey udviklet ligninger til at beskrive fugles inertiegenskaber, såsom tyngdepunktet og det neutrale punkt, hvor aerodynamiske kræfter konsekvent kan modelleres som punktkræfter.

Fly er typisk designet til at være stabile eller ustabile. Et stabilt fly vil have en tendens til at vende tilbage til stabil flyvning, når det bliver forstyrret (for eksempel ved at blive skubbet op af et vindstød). Dette er ønskeligt, for eksempel i et passagerfly, men ikke for en jetjager. Meget manøvredygtige fly er designet til at være ustabile.

I deres Natur papir, viste Harvey og kolleger, at næsten alle de undersøgte fuglearter er i stand til både stabil og ustabil flyvning og bruger vingebevægelser til at skifte mellem disse tilstande.

Kontrollerbar flyvning

Den nye undersøgelse bygger på dette arbejde og samler aerodynamiske undersøgelser ved hjælp af 3D-printede modeller af måger og mågevinger i en vindtunnel med computermodellering af inertikræfter for at forstå, hvordan måger opnår stabilitet langs deres lange akse (faldende eller stigende).

Måger kan justere, hvordan de reagerer på forstyrrelser i den akse ved at justere deres håndled og albueled og ændre formen på vingerne, fandt de. Holdet var i stand til at forudsige mågernes flyveegenskaber, og hvor hurtigt de kan komme sig efter en forstyrrelse som et vindstød. Den reaktionstid giver også indsigt i det "kontrollerbare område" for fuglen og i at anvende fugleflyvningsdynamik på fly.

"The flight qualities analysis asks:if you built an aircraft exactly like a gull, would a human be able to fly it?" Harvey said.

As uncrewed aerial vehicles, or drones, become more widely used, they need to be able to navigate complex urban environments, something birds do very well. A deeper understanding of bird flight could help improve drone designs for various uses.

Harvey will be opening her lab at UC Davis this fall. She hopes to collaborate with other campus researchers, including the California Raptor Center and researchers working on insect flight at the College of Biological Sciences.

"There are so many open questions about bird flight," she said, "I'm looking forward to seeing what else is out there to discover." + Udforsk yderligere

Avian secret:The key to agile bird flight is switching quickly between stable and unstable gliding