Их мельтешение выглядит совершенно хаотичным, но движения выверены миллионами лет эволюции. Крошечные "летуны" — семена клёна — уносятся ветром далеко от родного дерева, чтобы дать начало новой жизни. Этот вдохновляющий образ американские исследователи использовали, чтобы построить самый маленький в мире вращающийся летательный аппарат с одним крылом.

 Маленькое "чудо на ладони" родилось в лаборатории беспилотных летательных аппаратов университета Мэриленда (Autonomous Vehicle Laboratory — AVL). Участники проекта отмечают, что создать работоспособный летательный аппарат по мотивам "крылышек" клёна специалисты в разных странах пытались ещё с 1950-х годов. Однако столь простой на вид объект оказался не так уж прост. Особенно если учесть, что целью мечтателей было появление управляемой машины, способной на длительный активный полёт, а не пассивное планирование, как у природного прототипа.

Дин Дэррилл Пайнс (Dean Darryll Pines), Эван Ульрих (Evan Ulrich) и Шон Хамберт (Sean Humbert) начали с изучения падающих семян при помощи разнообразной аппаратуры. Постепенно они стали открывать для себя различные тонкости спирального полёта. Однако прошло немало времени, прежде чем им удалось построить аппараты, умеющие виртуозно парить, подчиняясь командам оператора.

Так проект тройки наших героев, именуемый "Робототехническая крылатка" (Robotic Samara), добрался до рождения самого интересного летательного аппарата в череде "родственников".

С 2007 года проект Robotic Samara прошёл большой путь: от изучения настоящих семян клёна до создания первых простых (планирующих) имитаций, от примитивных моторизованных экземпляров к моделям с управляемой аэродинамикой. Было создано множество образцов роботов-крылаток, отличающихся размерами, формой, расположением тягового винта, балансом, тонкостями управления, прежде чем появился самый крошечный собрат – "венец" проекта (на данный момент), показанный на снимке под заголовком (фотографии и кадры Autonomous Vehicle Laboratory/A. James Clark School of Engineering, U-Md.).

Эван Ульрих поясняет, что семена клёна словно обменивают потерю высоты на свою раскрутку, позволяющую создать подъёмную силу и тем самым дольше удержаться в воздухе. Это и позволяет ветру отнести крылатки дальше. Но зависнуть семена всё равно не могут — у них нет источника тяги. Потому крылаткам приходится в своей аэродинамике идти на некий компромисс.

Robotic Samara оснащены небольшим рычагом, на конце которого — крошечный электромоторчик с винтом. Он раскручивает весь аппарат целиком, поднимая его в воздух. (По принципу работы машинки этой линейки напоминают разведывательный "невидимый бумеранг".)

Благодаря такому решению искусственные "семена" способны на взлёт с земли и зависание. Они умеют совершать управляемый полёт после первоначального падения, будучи сброшенными с самолёта. Машинки могут стабилизироваться и начать парить как после спуска, так и после подъёма при запуске вручную.

Крылатака – это вообще-то плод (не только клёна, но и ряда других деревьев), уносящий заключённое внутри семя на значительное расстояние за счёт специфической аэродинамики. Эти забавно вертящиеся "крылышки" люди иногда упрощённо и называют семенами (фотографии с сайта wikipedia.org).

Заметим, управлять в полёте аппаратом, который вращается словно вертолётный винт, и при этом — целиком, инженеры научились не вчера. Скажем, можно вспомнить прототип разведчика Whirl ("водоворот" или "вихрь"). Были и другие системы. Но оказалось, что очень трудно обеспечить стабильность такого типа аппарата под порывами ветра, как только размеры беспилотника сокращаются до величины меньше метра.

	Иллюстрация из статьи Лентинка о падающих семенах даже украсила обложку престижного научного журнала за 12 июня 2009 года (иллюстрация Science).

К примеру, эту тему пару лет назад активно развивала Lockheed Martin (аппараты Nano Air Vehicle), рассчитывая создать разведчика размером буквально с семечко клёна. Судя по отсутствию новостей про Nano Air на сайте компании с того самого времени, проект оказался либо провальным, либо настолько успешным, что о нём уже не стоит говорить публично (военная тема как-никак).

Между тем целый ряд учёных до сих пор продолжают раскрывать секреты летающих семян. Так, нынешним летом исследователь из университета Вагенингена Дэвид Лентинк (David Lentink) и его коллеги из Голландии и США детально изучили аэродинамику семян клёна и граба.

Сначала учёные построили точные масштабные модели этих "вертолётов", а затем визуализировали обтекание их воздухом в трёх измерениях. Так удалось установить, что вращающаяся лопасть крылатки генерирует на передней своей кромке крошечный стабильный вихрь (leading-edge vortex), который дарит плоду его высокую подъёмную силу. (Детали можно найти в статье в Science).

Аналогичный процесс (среди прочих особенностей) является также объяснением великолепных лётных качеств насекомых и летучих мышей. Неудивительно, что масса экспериментаторов пытаются приспособить такие "природные патенты" к летательным аппаратам. При этом построение стабильного и управляемого "семечка" малого размера биологи ещё нынешним летом называли настоящим инженерным вызовом, видимо, не зная, что вызов этот давно принят командой Robotic Samara.

Одна из предыдущих моделей робота-крылатки, ещё солидного размера по сравнению с семенем клёна, но уже очень компактного в сравнении с большинством беспилотников, имеющихся на рынке (фото Eric Schurr/A. James Clark School of Engineering, U-Md.).

Как гласит пресс-релиз школы инжиниринга Кларка (в её состав и входит лаборатория AVL), Пайнс и его коллеги разработали особой формы изогнутую консоль для крепления моторчика с винтом. Они перебрали массу вариантов формы "семени", углов установки крыла и винта, способов изменения угла атаки единственного крыла, прежде чем получили должную стабильность устройства.

При этом собственно крылышко оказалось очень близко по профилю к натуральной крылатке. Оно даёт крохотной машинке возможность естественной авторотации при падении. Хвостик же с винтом тут похож на вертолётный хвостовой винт, но вместо того чтобы удерживать машину от раскрутки, он только ускоряет её.

Robotic Samara в полёте. Его создатели логично указывают в качестве областей применения военные операции, слежение за пожарами и операции поисково-спасательные. В том, чтобы с камеры на быстро вертящемся "волчке" получать внизу нормально ориентированную картинку, – проблемы нет. Тем более что такая машинка легко сможет унести несколько современных сверхлёгких "датчиков чего-нибудь", от загрязняющих веществ до инфракрасного следа от огня или едущей внизу машины (фото Eric Schurr/A. James Clark School of Engineering, U-Md.).

Самый маленький аппарат в наборе моделей Robotic Samara насчитывает в длину 9,5 сантиметра, при этом крыло машины по размеру почти точно совпадает с крылаткой клёна. Дебют крохи состоялся в университете штата Мэриленд на днях и приурочен был к 100-летию аэропорта Колледж-парка (College Park airport), согласно Wiki — старейшего непрерывно работающего аэропорта в мире.

В 1909 году (правда, летом) знаменитый изобретатель самолёта Уилбер Райт (Wilbur Wright) открыл в нём первые курсы для лётчиков-офицеров. А ныне неподалёку, всё в том же Колледж-парке, расположился университет Мэриленда и, соответственно, лаборатория AVL. И в ней родился новый необычный летательный аппарат. Символично.