Формирование дельты

Тандербёрдс выстраиваются в дельту

Дельта-формирование — это схема полета, при которой несколько летающих объектов объединяются в V-образную форму для более эффективного полета. Каждый отстающий объект располагается немного выше, чем тот, что впереди, и использует воздух, перемещаемый передним объектом, для уменьшения сопротивления воздуха. ^[1]

Дельта-образование часто используется птицами для миграции на большие расстояния ^[2] , в самолетах и ​​беспилотных летательных аппаратах ^{[3] .}

Наиболее известное использование дельта-формации — демонстрационная эскадрилья ВВС США « Тандербёрды» . «Тандербёрды» используют шесть самолётов, которые собираются вместе, как правило, в конце авиашоу и летят в плотном строю.

Преимущества и базовая механика

Полет в дельта-форме может обеспечить более длительное время полета с тем же количеством энергии. Это экономит время и ресурсы и снижает потенциальную необходимость останавливаться на опасных территориях.

В полете восходящий поток воздуха создается позади крыла вихрями на концах крыльев , это воздух, который был направлен вверх для создания подъемной силы. В дельта-образной формации отстающий объект следует близко позади и немного выше ведущего объекта. Это позволяет восходящему потоку воздуха от ведущего объекта создавать подъемную силу для ведомого объекта в полете. ^{[1] [2]} При использовании избыточной подъемной силы от ведущего объекта ведомому объекту не нужно создавать такую ​​большую подъемную силу, что приводит к повышению эффективности. Это может быть использовано в большой дельта-формации, что позволяет повысить эффективность в масштабе. Поскольку избыточная подъемная сила от ведущего объекта уже создавалась, это не требует от ведущего больше энергии и использует энергию, которая в противном случае не использовалась бы. Это позволяет некоторым птицам использовать до 30% меньше энергии, когда они летят в дельта-образной формации. ^[4]

Thunderbirds ВВС США

Нижняя часть самолетов Thunderbirds во время построения «дельта» на авиабазе Кислер

Дельта-формирование стало знаменитым благодаря демонстрационной эскадрилье ВВС США «Тандербёрды» . Когда «Тандербёрды» летают в дельта-форме, все шесть самолётов эскадрильи летят в плотной дельте . В тесном строю самолёты могут иметь расстояние между собой всего 0,5 метра (1,5 фута). ^[5]

В шоу команда формируется в дельте несколько раз, и самолеты на краю формации прерываются для сольных трюков, в то время как центральная четверка остается вместе. Трюки в дельта-формации обычно сохраняются до конца шоу. ^[5]

«Тандербёрдс» и «Блю Энджелс» дебютируют в «супердельта» над военно-морской авиабазой Эль-Сентро

Супер Дельта

В 2021 году Blue Angels ВМС и Thunderbirds ВВС объединились в формацию «супердельта». В супердельта Blue Angels образуют типичную дельта-формацию в центре и окружены тремя Thunderbirds с каждой стороны. ^[6] Команды смогли тренироваться вместе, используя дополнительное время для тренировок, предоставленное пандемией COVID-19, отменившей авиашоу.

Практическое использование

Поскольку управление полетом становится все более автоматизированным, крупномасштабный полет в формации становится все более реалистичным. Чтобы сэкономить топливо, многие производители БПЛА экспериментируют с использованием дельта-формаций и подобных им в коммерческих приложениях.

БПЛА

В беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) многие производители разрабатывают БПЛА, которые могут летать в дельта-форме на большие расстояния для увеличения дальности. В этих формациях, называемых роями, БПЛА будут запускаться с удаленной базовой станции, затем летать вместе к месту назначения и разделяться, или отдельные единицы могут отделиться от роя раньше. Затем они могут лететь обратно вместе в строю или по отдельности. ^[3]

Применение БПЛА

В БПЛА повышение эффективности сочетается с уменьшением количества людей, необходимых для мониторинга крупных операций по отпугиванию. Некоторые из вариантов использования включают: ^[3]

• Доставка последней мили , когда рой доставляет посылки в конечный пункт назначения из ближайшего узла. ^{[ необходима цитата ]}
• Наблюдение за сельскохозяйственными угодьями, где геотегированные изображения высокого разрешения могут помочь рассчитать нормализованный индекс разницы вегетации (NDVI)
• Сдерживание лесных пожаров , когда пожар можно обследовать, не подвергая людей риску, или применение огнетушащих веществ
• Правоохранительные органы , особенно в ходе крупномасштабных мероприятий
• Пограничный патруль
• Военное наблюдение

БПЛА связь

В роях БПЛА точка отсчета и путь заранее определены. Исходный (ведущий) БПЛА будет следовать этой точке отсчета. Затем отстающие БПЛА вычислят свое оптимальное положение на основе точки отсчета ^[7]

В рое БПЛА имеют предопределенную траекторию движения, ведущий БПЛА назначается источником информации. За ведущим находится опорная точка, вокруг которой ориентируются все БПЛА. Используя местоположение передних БПЛА, они вычисляют для себя наиболее эффективную позицию. ^[8]

Расчет оптимального положения в строю БПЛА

${\displaystyle {\begin{cases}{\dot {P}}x=Vcos(y)*cos(x)\\{\dot {P}}y=Vcos(y)*sin(x)\\{\dot {P}}z=Vsin(y)\\{\dot {V}}={\frac {Tcos(a-D)}{m-g*sin(y)}}+\Delta V\\{\dot {y}}={\frac {\frac {Tsin(a)cos(\sigma +Lcos(\sigma ))}{mV-gcos(y)}}{V+\Delta y}}\\{\dot {x}}=\left({\frac {T*sin(a)sin(\sigma )+Lsin(\sigma )}{mV+\Delta x}}\right)\end{cases}}}$

Эта система уравнений может описать оптимальное расположение БПЛА в рое. «В этой конфигурации БПЛА можно рассматривать как точечную систему масс, где p = [p _x , p _y , p _z ] ^T обозначает положение БПЛА в инерциальной системе координат; V представляет воздушную скорость БПЛА; y, x представляют угол траектории полета и угол направления; L , T , D представляют подъемную силу, силу тяги и силу сопротивления соответственно; g обозначает ускорение свободного падения, α и σ представляют собой угол атаки и угол крена соответственно; Δv , Δy, Δx представляют собой игнорируемые элементы модели, связанные с градиентом ветра и внешними возмущениями. Обозначим v _x = V cos(y) cos(x), v _y = V cos(y) sin(x), v _z = V sin y как скорость в инерциальной системе координат. Для простоты ускорение воздушной скорости определяется как , скорость набора высоты и скорость направления определяются как ω _y и ω _x соответственно. Затем после преобразования БПЛА Динамику роя можно приблизительно описать как следующую MAS второго порядка" ^[9]

Птицы

Птицы используют дельта-формирование, чтобы лететь дальше, когда они летят группой. Чтобы максимизировать эффект, птицы меняют лидера, когда устают, чтобы позволить стае лететь дальше. Птицы эволюционировали, чтобы максимизировать формирование, и могут чувствовать птиц вокруг себя и могут расположиться в наилучшем возможном месте. Они также используют формирование как визуальный ориентир, чтобы помочь им оставаться вместе. ^[2]

Ссылки

1. "Почему гуси летают в форме буквы V?". Библиотека Конгресса . Получено 12 ноября 2021 г.
2. "Летать как птица: V-образная формация наконец объяснена". BBC News . 16 января 2014 г. Получено 12 ноября 2021 г.
3. Campion, Mitch; Ranganathan, Prakash; Faruque, Saleh (1 июня 2019 г.). «Архитектуры связи и управления роем БПЛА: обзор». Журнал беспилотных транспортных систем . 7 (2): 93–106. doi : 10.1139/juvs-2018-0009 . ISSN  2291-3467. S2CID  56702550.
4. Патрисия Уолдрон (15 января 2014 г.). «Почему птицы летают в форме V». Science . doi : 10.1126/article.23697 (неактивно 1 ноября 2024 г.).{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
5. "Thunderbirds | Эскадрилья самолетов ВВС США | Britannica". www.britannica.com . Получено 12 ноября 2021 г. .
6. Pawlyk, Gina Harkins,Oriana (4 марта 2021 г.). «Blue Angels, Thunderbirds Team Up to Execute New 'Super Delta' Flying Formation». Military.com . Получено 12 ноября 2021 г. .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
7. См. рисунок 2 в Cabral-Pacheco, E. Giovanni; Villarreal-Reyes, Salvador; Galaviz-Mosqueda, Alejandro; Villarreal-Reyes, Sergio; Rivera-Rodriguez, Raul; Perez-Ramos, Aldo E. (2019). "Анализ производительности протоколов многоадресной трансляции для приложений управления распределенными формированиями БПЛА". IEEE Access . 7 : 113548–113577. Bibcode : 2019IEEEA...7k3548C. doi : 10.1109/ACCESS.2019.2935307 . S2CID  201651013.
8. Кабрал-Пачеко, Э.; Вильярреал, Сальвадор; Галавиз-Москеда, Габриэль; Вильярреал-Рейес, С.; Ривера-Родригес, Рауль; Перес-Рамос, Альдо (14 августа 2019 г.). «Анализ производительности протоколов многопролетной широковещательной передачи для распределенных приложений управления формированием БПЛА». Доступ IEEE . 7 : 113548–113577. Бибкод : 2019IEEA...7k3548C. дои : 10.1109/ACCESS.2019.2935307 . S2CID  201651013.
9. Дун, Ци; Лю, Чжибин (2023). «Управление формированием роя беспилотных летательных аппаратов с возмущениями: схема управления, управляемая миссией». Оптимальные приложения и методы управления . 44 (3): 1441–1462. doi :10.1002/oca.2799. ISSN  1099-1514. S2CID  244196917.