Создан метод для эффективного определения опасных для полётов БПЛА вихревых явлений
Научный коллектив под руководством старшего научного сотрудника Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН Александра Шелехова создал метод определения состояния турбулентности атмосферы с высоким пространственным разрешением.
Наблюдения, позволяющие прогнозировать опасные для полетов БПЛА вихревые явления, ведутся с помощью парящего роя беспилотников с вращающимися крыльями. Исследования выполнялись при поддержке РФФИ (проект № 19-29-06066).
Идею томскому учёному подсказал пластинчатый анемометр Леонардо да Винчи, состоящий из тонкой металлической пластинки, подвешенной вертикально на неподвижной оси, и градуированной деревянной дуги. С точки зрения физики, это устройство и квадрокоптер — принципиально одно и то же, несмотря на существенные различия в конструкции они описываются одними и теми же хорошо известными уравнениями движения твёрдого тела. В зависимости от интенсивности ветра пластина отклоняется от вертикального положения, а угол отклонения пластины указывает на скорость ветра. Александр Шелехов предположил, что вместо такой пластины можно использовать беспилотник коптерного типа, который будет «висеть», т.е. парить в атмосфере, не вертикально и не на оси, а горизонтально и на моторах.
«Да, этот метод есть «изобретение велосипеда», но, если быть точным, этот метод есть «изобретение велосипеда с моторчиками»! — смеется Александр Шелехов. — Проблема современной метеорологии БПЛА заключается в том, что «велосипед с моторчиками» имеет новое качество, очень дорогое в настоящий момент: он позволяет нам осуществлять контроль над атмосферной турбулентностью с требуемым пространственным разрешением и на высотах, на которых традиционную анемометрию невозможно использовать».
Благодаря разработанному методу можно прогнозировать целый ряд важных параметров полета: положение БПЛА, его высоту, скорость, крен, тангаж (угловое движение летательного аппарата относительно горизонтальной поперечной оси инерции) и рыскание. Вести наблюдения можно даже в опасных и труднодоступных местах: над оживлённой трассой, над водоёмом, в местах экологических бедствий, между высотными зданиями в большом городе. Метод очень экономичен, т.к. он не потребует снабжать дрон датчиками ветра, а это очень важно при его масштабировании на рой БПЛА. Также данный метод прост в использовании, по сравнению с другими приборами, и не требует значительной подготовки специалистов.
Несмотря на аналогии с пластинчатым анемометром Леонардо да Винчи, парение БПЛА в атмосфере имеет свои закономерности, поэтому встал вопрос о том, как углы Эйлера связаны с порывами ветра. Учёные разработали теорию, позволяющую установить взаимосвязь изменения градусной меры углов Эйлера с изменениями скорости ветра. В её основу легли модель идеального парения квадрокоптера в турбулентной атмосфере и модели турбулентной среды. Значительный вклад в понимание парения квадрокоптера внесли расчёты, проведённые старшим научным сотрудником Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН Алексеем Афанасьевым.
Все теоретические исследования подтвердились результатами экспериментов, проводившихся в течение четырёх сезонов на территории ИМКЭС СО РАН, Базового экспериментального комплекса ИОА СО РАН и на аэродроме Берёзкино им. В.П. Чкалова под Томском. Результаты исследований томских учёных вошли в Национальный отчет России по метеорологии и атмосферным наукам, подготовленного для Международной ассоциации метеорологии и атмосферных наук (IAMAS).
Источник: Томский научный центр СО РАН.
