Томские ученые создали метод для эффективного определения опасных для полетов 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).

– Бурное развитие и внедрение беспилотных летательных аппаратов сделало одной из самых актуальных задачу обеспечения безопасности их полетов. Считается, что самым главным фактором, который влияет на безопасность полетов БПЛА, являются вихри атмосферной турбулентности. Когда речь идет о пилотируемой авиации, современные средства метеорологии позволяют контролировать вихри большой кинетической энергии размерами более 100 метров, которые могут негативно повлиять на полет многотонного самолета. На движение легких БПЛА могут влиять даже слабые турбулентные неоднородности размером 10 сантиметров. Существующие содары, радары и лидары обеспечивают пространственное разрешение от нескольких десятков метров, поэтому они не способны диагностировать небольшие и слабые, но очень опасные для легких беспилотников вихри, – рассказывает Александр Петрович.

Идею томскому ученому 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 твердого 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 оживленной трассой, над водоемом, 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. Ученые разработали теорию, позволяющую установить взаимосвязь изменения градусной меры углов Эйлера с изменениями скорости ветра. В ее основу легли модель идеального парения квадрокоптера в турбулентной атмосфере и модели турбулентной среды. Значительный вклад в понимание парения квадрокоптера внесли расчеты, проведенные старшим научным сотрудником Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН Алексеем Афанасьевым.

Все теоретические исследования подтвердились результатами экспериментов, проводившихся в течение четырех сезонов на территории ИМКЭС СО РАН, Базового экспериментального комплекса ИОА СО РАН и на аэродроме Березкино им. В.П. Чкалова под Томском. Результаты исследований томских ученых вошли в Национальный отчет России по метеорологии и атмосферным наукам, подготовленного для Международной ассоциации метеорологии и атмосферных наук (IAMAS).

Фото предоставлены ИМКЭС СО РАН