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鳥のような翼が突風の中でドローンの安定化に役立つ

August, 5, 2021, Ann Arbor--「3Dモーフィング」は、小型航空機が風の強い都会の街を安全にナビゲートし、短いアプローチで着陸する際に役立つ。

鳥の翼のように自由に形状を変えられる翼は、作られた環境では小型機にとって利点となる。新しい研究はミシガン大学のエンジニアが主導したものである。

ブリティッシュコロンビア大学とユタ大学との共同で研究チームは、連続的3D形状で変形できる翼は、突風の中でドローンを安定に保つ際に役立ち、おそらく狭いスペースに着陸する際にも役立つことを見いだした。

「われわれの特定した用途は2つであるが、素晴らしいと思ったもう1つの部分は、鳥の場合のように、1つの3Dモーフィングウイング(翼)は、様々なタスクを遂行できるということである。わずか2つのジョイントがそのように幅広い制御ができることは、航空機設計にとって前途有望である」とU-M航空宇宙工学Ph.D学生、Christina Harveyはコメントしている。同氏は、Royal Society Interface掲載論分の筆頭著者。

鳥は、われわれの最も先進的な類似サイズのドローンでさえ凌駕できるので、エンジニアは、鳥のような翼の可能性に関心を示している。鳥は、幅広い範囲の平面や円弧で曲げて、翼を楽々と変形しているように見える。 

しかし、変形翼を持つ無人航空機(UAVs)を作るのは難しい。一般に研究者は、各翼にいくつかの面を持たせた、鳥の大まかなエミュレーションができるだけである。エンジニアは、その自然の可変性を真似るという課題を引き受けるなら、必ず見返りを得たがる。

「この研究の最も信じがたい側面は、鳥から学んだことに動機づけられて、鳥の滑空についていかに知られていないかを実感したこと、航空機にどの程度の改善ができるかを学んだことである。ここでの発見は2方向に進む。われわれは、UAVの設計とともに鳥の飛行の理解に貢献することができる」と航空工学Harm Buning Collegiate教授、Dan Inmanは話している。同氏は論文のシニアオーサ。

チームは、コンピュータシミュレーションを使って、3D変形ウイングの利点を探した。研究は、カモメが「エルボー」と「リスト」位置の組合せで、滑空中に翼で作ることが知られている全ての形状を調べた。チームは、滑空飛行の各々をテストし、全3Dウイング形状がUAVsに役立つ可能性がある2つの操作を特定した。さらに、3Dプリントモデルの風洞試験でシミュレーションの正確さを確認した。

3Dウイング変形の1つの強みは、突風中の安定性である。ウイングの形状を変えることで鳥は、かなり強い風を受けても、その方向と高さを維持できる。これは、小型、軽量で、通常の航空機よりも頻繁に障害物近くを飛行するUAVsには有用である。例えば、街のビル間である。

「安定性を、上昇とは独立に調整できることにより3D変形ウイングは、そのような環境における調整力備えているかも知れない」とHarveyは話している。

改善のもう1つの領域は着陸である。エルボーとリスト何時の組合せが、下降中、航空機翼の従来のフラップの空力効果を真似る形状を作った。チームは、これらの関節角度でウイングを変形することにより鳥は、急角度で下降できるようになるのではないかと見ている。それが事実なら、3Dウイング変形UAVsは、もっと短いアプローチパスで着陸できる。

ウイングのわずか2つの間接が様々な操作で航空機制御に役立つことを示したので、チームは、この3D変形を達成できるウイングを設計的るかどうかを検討する考えである。

「もしそうなら、これは多機能変形ウイングドローンの新デザイン促進に役立つ」とHarveyは話している。

(詳細は、https://news.umich.edu)