Гений да Винчи снова в деле? Как его 500-летний чертеж решит главную проблему современных дронов
Представьте себе утро недалекого будущего. За окном пролетает дрон, доставляющий соседу свежий кофе. Еще один, принадлежащий экстренным службам, бесшумно сканирует обстановку на улице. Все это происходит без назойливого, почти комариного гула, который мы сегодня ассоциируем с беспилотниками. Звучит почти как научная фантастика, правда? Однако ключ к этой тихой утопии, возможно, все это время пылился в записных книжках гения эпохи Возрождения.
Новое исследование показывает, что конструкция «воздушного винта» Леонардо да Винчи, созданная около 1480 года, не просто причудливый артефакт истории, а потенциально революционная идея для авиации XXI века.
Так что же это за «воздушный винт»?
Даже если вы не эксперт в аэродинамике, вы наверняка узнаете классический ротор дрона — две или четыре тонкие, стремительно вращающиеся лопасти. А теперь представьте себе нечто совершенно иное: массивную, цельную спираль, похожую на винт Архимеда, который древние греки использовали для подъема воды. Именно так выглядит «орнитоптеро винтовой» (ornitottero a vite), как его называл сам Леонардо.
Гений из Винчи предполагал, что его аппарат будет приводиться в движение мускульной силой четырех человек. И в этом, честно говоря, была его главная слабость. Машина была бы слишком тяжелой и громоздкой, а люди просто не смогли бы вращать винт с достаточной скоростью для взлета. Проект так и остался на бумаге — красивая, но непрактичная мечта.
Но что, если заменить четырех человек легким и мощным электродвигателем? Именно этим вопросом задалась команда инженеров под руководством Раджата Миттала из Университета Джонса Хопкинса.
Из Ренессанса в виртуальную аэродинамическую трубу
Строить физическую модель винта да Винчи — долго и дорого. К счастью, сегодня у нас есть технологии, о которых Леонардо не мог и мечтать. Исследователи создали точную цифровую копию «воздушного винта» и поместили ее в виртуальную аэродинамическую трубу. Это мощная компьютерная симуляция, позволяющая досконально изучить, как воздух обтекает объект.
Для чистоты эксперимента рядом «протестировали» и стандартный двухлопастной винт современного дрона. Результаты, по словам самого Миттала, оказались неожиданными.
Выяснилось, что для создания одинаковой подъемной силы винту да Винчи нужно вращаться значительно медленнее, чем его современному аналогу. В чём же дело? Вместо того чтобы агрессивно «рубить» воздух тонкими лопастями, спиральная конструкция мягко и непрерывно закручивает воздушный поток вниз, создавая стабильную зону высокого давления под собой. Это похоже на то, как штопор входит в пробку — плавно и эффективно.
Более медленное вращение немедленно дает два колоссальных преимущества:
- Энергоэффективность. Меньше оборотов — меньше расход энергии. Дрон с таким винтом мог бы летать дольше.
- Тишина. Главный источник шума дрона — это завихрения, которые срываются с концов быстро вращающихся лопастей. Медленный и массивный винт да Винчи создает гораздо более упорядоченный и плавный воздушный поток. Меньше турбулентности — меньше шума.
«Мы были удивлены, — признается Миттал. — Мы думали, что его произвольная форма будет аэродинамически провальной». Но гений остался гением даже спустя пять веков.
Неужели да Винчи идеален? Не совсем.
Конечно, не стоит ожидать, что уже завтра наши небеса заполнятся дронами, выглядящими как ожившие эскизы из XV века. Как справедливо отмечает Шерил Грейс из Бостонского университета, у исследования есть свои ограничения.
Во-первых, симуляция проверяла винт только в режиме зависания на месте. Как он поведет себя в горизонтальном полете, при маневрах и порывах ветра — большой вопрос. Во-вторых, есть проблема веса. Массивная спираль из современных материалов все равно будет тяжелее тонких композитных лопастей, что скажется на общей производительности дрона.
Но ценность этой работы не в том, чтобы слепо скопировать чертеж да Винчи. Она в другом.
Наследие гения и будущее беспилотников
Исследование команды Миттала — это блестящий пример того, как старые идеи могут вдохновить на новые прорывы. Инженеры по всему миру бьются над проблемой шума от дронов, а решение, оказывается, лежало на поверхности — вернее, в принципах, заложенных Леонардо.
Возможно, будущие винты для беспилотников не будут точной копией «воздушного винта», но они могут позаимствовать его ключевые черты: более широкую площадь, спиралевидную форму и ставку на создание плавного, а не турбулентного потока. Это прозрение, подаренное нам гением Возрождения, способно кардинально изменить облик городской аэромобильности.
Так что в следующий раз, когда услышите раздражающий гул квадрокоптера, вспомните о Леонардо. Человек, мечтавший подарить людям крылья, спустя 500 лет, возможно, подарит нам тишину.