Картинка Freepik

«И не думать, как приземлиться
А у птиц свободе учиться
Оставив всё то, что жаль…»

Группа «Амега» — «Лететь»

Среди летательных аппаратов особое место занимают махолёты (их ещё называют орнитоптерами). И если раньше из-за отсутствия достаточно мощных и компактных источников энергии единственным вариантом построения таких аппаратов у любителей было использование в качестве источника энергии скрученной резиновой ленты/лент (так называемые «модели с резиномотором») то теперь появилась возможность создавать такие устройства с электрическим приводом, о чём мы поговорим в этой статье.

▍ Преамбула

С давних времён человек мечтал летать как птица. Но тогда человечество ещё не понимало принципов воздухоплавания, и такие попытки, как правило, выглядели скорее как курьёз, а зачастую завершались и несчастными случаями с испытателями.

В последующем, с открытием человечеством некоторых принципов воздухоплавания, началось бурное развитие аппаратов легче воздуха (воздушные шары, аэростаты), естественным образом приведшее к открытию принципов полётов аппаратов тяжелее воздуха (планеры, а затем и самолёты).

Тем не менее, несмотря на активное развитие авиации, собственно «летать как птица» долгое время не удавалось, так как были непонятны основные принципы такого полёта.

Конечно, делались и первые попытки, также оказывавшиеся неудачными, так как простое махание крыльями «вверх-вниз» ничего не даст.

И только с появлением высокоскоростных камер, с помощью которых удалось снять все фазы взмахов при полётах птиц, стало понятно, в чём дело: птицы машут крыльями не просто «вверх-вниз», а как бы «вверх и далее вниз и назад».

Таким образом, они при взмахе крылом как бы загребают воздух и отбрасывают его порциями назад и вниз, что создаёт как подъёмную силу, так и позволяет двигаться в определённом направлении.

Очень хорошо для понимания полёта с помощью взмахов подходит наблюдение за стилем плавания «баттерфляй» (смотреть с 4:00 — Хабр не позволяет вставить перемотанное видео):

Так что, несколько утрируя, можно сказать, что в общем случае птицы летают стилем баттерфляй :-) (не совсем, но, в грубом приближении). Но тут надо оговориться, что это касается только условно низких частот взмахов, при высоких всё совсем иначе (об этом ниже).

При этом стоит отметить один любопытный момент, который никто явным образом не озвучивает, но который я увидел, исследуя научные работы по этому вопросу…

А именно: крыло птицы имеет определённую жёсткость, и для эффективности полёта оно должно быть тем гибче, чем выше частота взмахов!

Таким образом, если для птиц среднего размера (голуби и больше) требования к гибкости крыла не так важны, то с уменьшением размера крыла такие требования растут и уже позволяют существенно влиять на эффективность, условно говоря, начиная с таких птиц, как колибри (точные данные, с какого размера крыла это становится особо важным, мне пока не удалось найти, но, думается, получилось выявить общую тенденцию).

Почему гибкость крыла важна, если вкратце: на малой частоте взмахов за отбрасывание порций воздуха назад и вниз отвечает преимущественно наклон крыла, тогда как на условно высоких частотах за это отвечает пробегающая гибкая волна по крылу — от передней его кромки до задней.

В качестве дополнения можно сказать, что, другими словами, несмотря на жёсткость крыла, взмах осуществляется птицей с помощью «культи», расположенной в передней части крыла:

Картинка: André Preumont & Ali Roshanbin, Université Libre de Bruxelles (ULB)

И если на низких частотах эта культя и крыло представляют собой, условно говоря, единое целое, и птица вынуждена менять угол крыла и как бы «давить всей плоскостью», применяя мускульную силу, чтобы крыло работало нужным образом, то на высоких частотах птице достаточно всего лишь смещать переднюю кромку крыла вверх и вниз, а саму работу по созданию подъёмной силы и тяги в определённом направлении совершает гибкая волна, пробегающая по крылу (это хорошо видно на видео ниже, смотреть с 1:19):

И, кстати говоря, если мы тут говорим о частотах, то о каких цифрах идёт речь, если рассматривать птиц? Судя по той информации, которую мне удалось найти, крыло аиста совершает около двух взмахов в секунду, у воробья частота возрастает уже до 13, в то время как у колибри это число уже равно 80! Впечатляет…

Однако всё становится ещё более впечатляющим, если мы спустимся ниже по размеру крыла и перейдём к насекомым: комнатная муха — 120, пчела — 180, комар — 600!

Таким образом, чётко видна тенденция, что с уменьшением размера крыла частота взмахов растёт.

При этом нельзя сказать, что такие полёты являются энергоэффективными — они требуют большого количества энергии, и во время полёта скорость метаболизма живых организмов может увеличиваться в 50 и даже 200 раз! Скажем, если экстраполировать это на средний рост и вес человека, то ему бы потребовалось съедать по 68 кг пищи каждые 24 часа!

И ещё один любопытный момент касательно энергоэффективности: учёными было выявлено, что полёт с помощью взмахов менее эффективный, чем обычный вертолётный принцип, так как при взмахах постоянно требуется тратить большое количество энергии, в то время как вертолёт тратит большое количество энергии только на начальный взлёт, а во время полёта величина затрат остаётся примерно одинаковой (понятно, что и в том, и другом случае имеется в виду равномерный полёт без резких рывков по скорости).

Кстати говоря, вот это последнее, видимо, и объясняет, почему махолёты так мало распространены — просто это в целом не энергоэффективно. Так что, видимо, мы ещё не скоро увидим (если вообще увидим) махолёты как из фильма «Дюна», хотя кто знает?

Кстати, в фильме «Дюна» используются махолёты типа «стрекоза», и раз уж мы о них заговорили, нельзя не упомянуть об уникальных аэродинамических свойствах настоящих живых стрекоз. Да, частота взмахов не впечатляет — всего 15 в секунду, но зато остальное достойно уважения: каждое крыло имеет свой независимый «силовой привод» и, кроме этого, способно отклоняться (как говорят учёные — «изменять плоскость взмаха») независимо от других крыльев.

Принцип действия крыльев тот же самый, что и у других высокочастотных систем: взмахи передней кромкой с последующим пробеганием гибкой волны по крылу:

Это помогает стрекозам перемещаться в любых направлениях и зависать в воздухе, а также даёт уникальное свойство, не встречающееся больше ни у кого: это единственный известный науке живой организм, способный летать хвостом вперёд!

Всё это в совокупности делает его выдающимся хищником, не имеющим равных…

В завершение стоит сказать, что, насколько мне удалось выяснить, несмотря на некоторую проработанность вопроса, полностью общепризнанной теории машущего полёта ещё не существует (тут могу ошибаться).

▍ Амбула :-)

Итак, теперь, когда мы несколько вооружены знанием о принципах действия машущих летающих систем, имеет смысл присмотреться к тому, а как мы могли бы создать аналогичную систему самостоятельно?

Если мы посмотрим на существующие в мире самодельные системы из этой области, то убедимся, что мы не первые, кто задался вопросом создания махолёта, и существует целый ряд типовых решений.

Практически все они эксплуатируют рассмотренный выше принцип для высокочастотных систем (пробегание гибкой волны по крылу), то есть почти все самодельные системы предназначены для быстрого смещения передней кромки крыла вверх-вниз, что приводит к пробеганию гибкой волны по связанному с ней крылу, как правило, изготовленному из гибких материалов: полиэтилен и иные плёнки, а также различные плотные, непродуваемые воздухом синтетические ткани.

В некоторых случаях, когда летательный аппарат условно большой по размерам и создатели хотят сохранить аэродинамические качества крыла на долгое время, то используются специальные ткани со структурой «рип-стоп», содержащие регулярно вплетённые в ткань прочные волокна, препятствующие разрыву (в нашем случае ещё и служащие для предотвращения потери крылом своей формы со временем).

В качестве силового привода в любительских конструкциях обычно используются различные интерпретации кривошипного принципа.

Просто кривошип (обычно используется с резиномоторным двигателем, приводящимся в движение с помощью свёрнутой резиновой ленты/лент):

Картинка: instructables.com

Кривошип на одной шестерне: электродвигатель приводит в действие небольшой редуктор, на выходной шестерне которого закреплены две тяги, расходящиеся каждая на своё крыло. Минус такой конструкции — на единую точку шестерни, к которой крепятся две тяги, прикладывается существенная нагрузка, что может привести к выходу из строя:

Картинка: instructables.com

Разнесение нагрузки на две шестерни:

Картинка: instructables.com

Поперечный кривошип требует большого количества компонентов (а это увеличение веса) и используется на больших орнитоптерах:

Картинка: instructables.com

Таким образом, если кто-то захочет собрать приводы указанных типов, то ниже можно найти некоторое количество ссылок на 3D-модели для распечатки.

Детали резиномоторной модели:

Картинка: thingiverse.com

Детали модели с одной шестернёй:

Картинка: thingiverse.com

Детали орнитоптера-стрекозы:

Картинка: thingiverse.com

Наверху кратко я привёл основные типы приводов не просто так — если вы заинтересуетесь этой темой и будете искать о ней информацию, то в подавляющем большинстве вариантов вы будете сталкиваться с различными интерпретациями вышеперечисленного.

Но тут, мой взгляд, существует проблема: когда я вижу все эти сложные механизмы (несмотря на то, что «дружу» с руками), у меня «всё опускается» :-)

Потому что сразу возникает масса вопросов: а смогу ли я такое собрать, а смогу ли потом настроить, а правильно ли я всё понял и т. д.

Поэтому я подозреваю, что большинство из тех, кто впервые услышал про тему орнитоптеров, сразу после того, как увидят силовые приводы, бегут от этой темы куда подальше:-)

Тем не менее, существует один, на мой взгляд, просто великолепный «лайфхак», о котором мало кто знает и который позволяет легко разрубить этот Гордиев узел: использование вместо этих сложных редукторов обычных сервоприводов!

Да-да, те самые сервомашинки, поворачивающиеся на 180°, которые обычно используются любителями. Такой подход позволяет практически любому буквально «на коленке» собрать орнитоптер, что существенно облегчает вхождение в тему новичков!



Да, такой подход имеет и свои ограничения, так как сервопривод не может развить большую частоту махов, что, соответственно, вынуждает делать размах крыла условно большим (как мы знаем, по теории выше, чем больше по размеру крыло, тем меньшее число махов допустимо и наоборот).

Тем не менее, это даёт возможность начинающему «попробовать тему на вкус», а если понравится и получится, то заняться и дальнейшими усовершенствованиями…

В сети существует целый пласт таких любителей, собирающих орнитоптеры на сервомашинках, и у них получаются весьма впечатляющие вещи:

Кстати, в видео ниже очень хорошо видно, что используется ткань структуры «рип-стоп», о которой я говорил выше:

Подбор размера сервопривода напрямую зависит от размеров/веса вашего будущего орнитоптера, поэтому тут нельзя однозначно сказать: нужно тестировать под конкретный размер, скажем так, «планера» — то бишь летающей платформы. Но одно можно сказать с уверенностью: такой подход позволяет легко заменить стандартный редуктор орнитоптера на сервы без каких бы то ни было проблем (вероятно, проблемой будет только ресурс сервы). Такой тест как раз показан ниже (здесь тоже можно подметить, что в качестве обшивки — ткань «рип-стоп»):

Использование сервоприводов позволяет создать достаточно небольшие аппараты, хотя до по-настоящему полноценной миниатюризации с ними далеко:

И тут мы хорошо видим другую тенденцию, уже известную авиамоделистам: чем меньше аппарат в размерах, тем более сложных технологий требует и тем труднее он в целом в постройке. Таким образом, по-настоящему миниатюрные аппараты, так называемые «зальники», уже потребуют недюжинной инженерной выдумки. С другой стороны, учитывая наличие фотополимерной печати и таких смол, как «nylon like» (приблизительно аналогичные нейлону), вполне позволяет сделать попытку изготовления миниатюрного износоустойчивого редуктора, а наличие на Алиэкспрессе миниатюрных оборотистых электродвигателей (внизу показаны те, которые я покупал когда-то — 20000/об мин — 10 штук за 150 руб.) делает эту затею более чем реальной:



Ну если мы с приводом более-менее разобрались, теперь требуется прикинуть, а как управлять всем этим?

Ещё совсем недавно, для такого удалённого управления я рекомендовал бы вариант с миниатюрной платой NRF24L01.

Тем не менее, время идёт, всё меняется. И, так как я сейчас активно перехожу с обычной esp32 на маленькую версию — Esp32 C3 SuperMini, то, ввиду наличия некоторой информации по этому вопросу рекомендовал бы использовать её:



Почему: при цене менее 200 руб. вы получаете мощный микроконтроллер с беспроводными интерфейсами wi-fi/Bluetooth (из которых нас интересует последний), так как плата поддерживает (по ссылке — даташит) Bluetooth LE 5.0 Long Range (дальность до 100 метров со скоростью до 2 Мбит/сек).

Вот тут брал я сам (более 20 штук) и все нормально работали. Почему акцентируюсь на этом: платы появились относительно недавно и в продаже бывает много брака — выглядит с виду хорошо, но имеет какие-то фатальные недочёты (даже отсутствие памяти!) — сам на такое нарывался… Но вот по ссылке выше у меня всё «заводится из коробки» и работает без проблем.

Таким образом, на её базе можно получить очень простой способ управления любыми любительскими устройствами в пределах прямой видимости во время развлекательных полётов, а также простую в реализации силовую установку (при использовании сервоприводов).

Одним из способов осуществления радиоуправления является использование одной платы Esp32 C3 SuperMini на орнитоптере и управление ей со смартфона с поддержкой BLE 5.0, но готовых решений такого плана нет, и если вы захотите принять такой вызов, то можете попробовать реализовать его самостоятельно.

Но при желании вы можете пойти более простым путём, используя две платы esp32, одна — в качестве пульта управления, другая — в качестве мозга орнитоптера. Для этого случая вы можете взять вот здесь код, только потребуется его также видоизменить соответствующим образом, чтобы одна плата понимала нажатие кнопок, подключённых к ней (или джойстика), а другая — отрабатывала эти команды.

Если же захочется собрать что-то ещё более дальнобойное, то можно посмотреть вот здесь, где я выложил свой код, позволяющий управлять авиамоделями с помощью NRF24L01+PA+LNA. Там же, в части пульта дистанционного управления, можно глянуть, как реализовано управление с ардуино-джойстика:

Картинка: 3d-diy.ru

Чтобы создать крыло и корпус, можно посмотреть выкройки и размеры вот здесь, только, вероятно, придётся несколько увеличить в размерах, в случае использования сервоприводов в качестве силовой установки, так как эти размеры рассчитаны на более высокочастотные взмахи (или же проявить творчество и собрать по собственным чертежам, тем более построение и так уже существенно упростилось, если использовать Esp32 C3 SuperMini и сервы).

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?