معرفی و بررسی پرنده‌های بال‌زن
نرجس غضنفری
ورودی 1401 مهندسی هوافضای شریف
اورنی‌تاپتر[1]، یا همان پرندۀ بال‌زن، به وسایل پرنده‌ای گفته می‌شود که برخلاف ماشین‌های پرندۀ امروزی مثل هواپیما، پهپادها و هلیکوپترها، به کمک بال زدن از زمین جدا شده و شروع به پرواز می‌کنند. در این ربات‌ها، طراحان همواره می‌کوشند تا شیوۀ پرواز پرندگان، خفاش‌ها، و حشرات را به‌صورت مکانیکی تقلید کنند. در حالت کلی ممکن است بزرگی و کوچکی بال‌زن‌ها متفاوت باشد؛ اما در ساخت بال‌زن‌ها معمولاً تناسب‌هایی که بدن پرندگان و حشرات دارند، رعایت می‌شود. علاوه‌بر این گونه پرندۀ بال‌زن، بال‌زن‌های سرنشین‌داری هم ساخته شده و جالب آن که برخی نیز موفق به پرواز شده‌اند. برای بررسی کامل سیر این پرنده بیائید نگاهی به تاریخچۀ این ماشین‌های مکانیکی فوق‌العاده بیاندازیم:
پیشینه
از ابتدای آفرینش انسان، اشرف مخلوقات، این پرسش برای وی مطرح بوده که چرا از پرواز عاجز است و نمی‌تواند مانند پرندگان در آسمان پرواز کند. این سوال که برآمده از سرشت کمال‌طلب این مخلوق بود؛ همواره نگاه او را به آسمان پیوند می‌زد و روز‌به‌روز بر اشتیاقش به پرواز می‌افزود. اکنون ما می‌دانیم که نسل انسان سال‌های زیادی را در جستجوی حل این مسئله سپری کرده؛ اما نزدیک‌ترین چیزی که به آن در راستای اثبات ادعای خود داریم، افسانۀ دایدالوس[2]است که به دوران پرشکوه و عظمت یونان باستان بر می‌گردد. عصری که آبستن فیلسوفان و دانشمندان بزرگی همچون دایدالوس بود.
دایدالوس مخترع متفکر مجسمه‌ساز و هنرمندی زبردست در شهر آتن بود. او آنچنان در هنر و صنعت توانا بود که به سختی می‌شد مجسمه‌هایش را از زندگان تمییز داد. گفته می‌شود سقراط از نسل دایدالوس است. آثار و اختراعات خلاقانۀ او، نامش را به‌عنوان یک صنعتگر زبردست برای همیشه در تاریخ ثبت کرده است. وی یک هزارتوی افسانه‌ای برای شاه مینوس ساخت؛ اما شاه او را به همراه پسرش به زندان انداخت تا راز ساخت آن هزارتو هرگز فاش نشود. با این حال دایدالوس با پسرش، ایکاروس، توانستند با استفاده از موم شمع‌هایی که به آن‌ها داده می‌شد و پرهای ریخته شده از پرندگان روی سقف برجی که آن دو در آن زندانی بودند؛ دو جفت بال ساخته و با آن‌ها به آسمان فرار کنند که هنوز هم این افسانه، به‌عنوان اولین تجربۀ پرواز یک انسان یاد می‌شود.
بر اساس این دست ماجراها تا حدود ۸۴۰ سال پس از میلاد و نیز در قرون وسطی افراد زیادی به خودشان بال می‌بستند و از صخره‌‌ها پایین می‌پریدند که عاقبت، مرگ دستاورد این آزمایش جسورانه بود. اما در قرن پانزدهم میلادی همه چیز تغییر کرد. لئوناردو دا وینچی نقاش، ریاضی‌دان، آناتومیست، جغرافی‌دان و متفکر رنسانسی از ذهن خلاق خود برای کشف رموز پرواز استفاده کرد و بنا بر باور خود که انسان می‌تواند با یادگیری از پرندگان پرواز را یاد بگیرد، نخستین روش علمی برای حل این چالش را اجرا کرد. بنابراین او شروع به کشیدن طرح‌های اولیه از ماشین‌های بال‌مانندی که بال‌زن نامیده می‌شدند، کرد و طرح‌های شگفت‌انگیزی را نسبت به دانش زمانۀ خود ارائه کرد. تا جایی که ما می‌دانیم، دا وینچی هرگز سعی نکرد این ماشین‌ها را بسازد؛ با این وجود، کار ارزشمند این نابغه، هنوز هم اولین تلاش علمی برای اختراع یک ماشین پرنده محسوب می‌شود.
بعد از داوینچی افراد برجستۀ زیادی، بخش زیادی از زندگی خود را به این کار اختصاص دادند که از میان آن‌ها می‌توان به مرد پرندۀ آلمانی[3]اشاره کرد. آتو لیلینتال[4]، معروف به مرد پرنده، یک مهندس آلمانی بود که با ساخت یک تپۀ مصنوعی با ارتفاع 15 نزدیک محل زندگی خود، بالغ بر 1000 آزمایش را با گلایدرهای دست‌ساز خودش انجام داد و در عین حال که او در نتیجۀ یکی از این آزمایش‌ها جان خودش را از دست داد، این جمله را به‌عنوان آخرین کلام خود بیان کرد: فداکاری باید کرد!
مکانیزم
اساس کار اورنی‌تاپتر، فلپینگ[5]یا همان بال زدن است. منبع اصلی تولید نیروهای آئرودینامیک در این موجودات، حرکت نوسانی بال‌هاست که به طور کلی شامل انتقال و دوران با دو درجۀ آزادی حرکت و یا بیشتر است. به واسطۀ این حرکت‌ها، دنبالۀ جریان تشکیل می‌شود که آن هم به‌صورت نیروهای آئرودینامیکی ظاهر خواهند شد. روش غالب تولید نیروهای برآ و پیشران در پرواز طبیعی، بال زدن می‌باشد که در مقایسه با پرندگان بال‌زن، هواپیماهای معمولی ساختاری ساده‌تری دارند. جریان هوا با سرعتی که دارد، به بال‌های ثابت هواپیما برخورد می‌کند و نیروی برآ تولید می‌شود. همچنین نیروی پیشران از طریق چرخش ملخ، ایجاد می‌گردد؛ اما پرندگان در طبیعت، تنها به‌صورت افقی و رو به جلو پرواز نمی‌کنند. از نظر مانورپذیری پرندگان و حشرات یکی از بهترین سیستم‌های حرکتی را در پرواز دارا می‌باشند. آن‌ها نه‌تنها دارای توانایی بالا و پایین بردن بال‌ها، شیرجه رفتن و تغییر زاویۀ عقب‌گرد بال‌شان را دارند؛ بلکه در ایجاد مانورهای حرکتی پیچیده نیز قادرند که تنها توسط اجزای مختلفی که در بدن پرنده وجود دارند، امکان‌پذیر خواهد شد. به علاوه شاید برای شما جالب باشد که بدانید پرندۀ بال‌زن توسط ترکیب حرکت فرکانسی بال‌ها، تغییر شکل بال (عقب‌گرد و پیچش آن)، فرم و شکل دادن به بدن و تغییر زاویۀ دم، قادر است هدف خود را در سرعت‌های بالا، به دقت رهگیری کند.
بررسی اجمالی
با گذشتن هر روز و پر‌رنگ شدن نقش پهپادهای شناسایی در عملیات‌های شهری، ضدتروریستی و نظارتی، استفاده از پهپادهای کوچک‌تر، با وزن کم‌تر و پایداری بالاتر دارای توجه روزافزونی می‌گردد. پهپادهای تاکتیکی کنونی که می‌شناسیم با استفاده از روتور همانند یک هلیکوپتر کوچک یا (در مدل‌های بزرگ‌تر) با استفاده از موتورهای رَم‌جت پرواز می‌کنند. البته اگرچه بال‌زن‌ها ویژگی‌های فوق‌العاده‌ای در زمینۀ چرخش سریع به واسطۀ بال‌ها ابعاد کوچک، سرعت کم، چابکی و قدرت مانوردهی بالا، دقت بالا در رهگیری هدف در سرعت‌های بالا صرفه‌جویی در مصرف انرژی، قدرت مانوردهی در فضاهای مختلف و اوج گرفتن سریع را دارا هستند؛ اما مانند هر فناوری دیگری نقاط ضعفی نیز از جمله احتمال نسبتاً بالای سقوط و کمبود زمان پرواز به دلیل نیاز بیش از حد به برق دارند. به علاوه پیچیدگی ساخت آن‌ها نسبت به پرنده‌های موتور گردان، کنترل پیچیده و مصرف انرژی زیاد در پرواز رو به جلو، کار را دشوار‌تر نیز می‌سازد.
نمونه‌های عملی
ربات بال‌زن شرکتFesto آلمان، موسوم به اسمارت برد[6] یک ربات اتوماتیک پرنده است که به علت ساخته شدن از فیبر کربن تنها دارای 0.45 کیلوگرم وزن می‌باشد. طول بال این پرنده 2 متر است و بال‌های آن که وظیفۀ اصلی بلند کردن ربات و حرکت آن را بر عهده دارند از مواد فوق‌العاده انعطاف‌پذیر برای حرکت، مانند بال پرندگان ساخته شده‌اند. قدرت لازم برای حرکت این پرنده و همچنین حرکت سر و دم پرنده توسط موتور و نهایتاً از طریق یک باتری لیتیم پلیمری تامین می‌شود. به علاوه سرعت حرکت این پرنده 40 کیلومتر بر ساعت، برد آن 2 کیلومتر و سقف پروازی آن 500 متر است .در طرفین پرنده از 3 سنسور استفاده شده که در هر لحظه موقعیت بال‌ها را به دقت تعیین می‌نمایند و برای گردش به راست و چپ، جهت دم تغییر می‌کند. این شبه‌پرنده نمونۀ بی‌نظیر یک پرندۀ بال‌زن است که نگاه‌های متحیر زیادی را در سرتاسر جهان به سمت خود جذب کرده است.
سخن پایانی
اگرچه صنعت هوانوردی حدود 100 سال است که پا به عرصه وجود گذاشته است؛ اما سیستم پروازی در طبیعت بعد 150 میلیون سال همچنان پرابهت و پیچیده است. چرا که در جهان میلیون‌ها گونه از حشرات وجود دارند که قادر به پروازند، همچنین حدود 13000 گونه مهره‌دار از پرندگان یافت شده است که قادر به پرواز با بال‌های متحرک خود هستند و از نظر مانورپذیری پرندگان و حشرات یکی از بهترین سیستم‌های حرکتی را در پرواز دارا می‌باشند. بدون شک انسان هرگز نمی‌تواند تمام ابعاد و ظرایف درونی موجودات را دریابد و از آن‌ها برای ساخت دست‌سازه‌هایش الهام بگیرد؛ اما می‌تواند با تلاش و مطالعه در خلقت این موجودات به اندک حکمت و پیچیدگی آفرینش آنان دست یابد که این خود تلاشی ستوده در جهت پیشرفت و ارتقای سطح دانش است. باشد که در سال‌های آینده، این ربات‌ها جایگزین پرنده‌های هدایت از راه دور کنونی با وزن بالا و بزرگ در نیازمندی‌های اجتماعی ، امنیتی و اعمال قانون شوند.
[1]Ornithopter
[2] Daedalus
[3] The Birdman Of Berlin
[4] Otto Lilienthal
[5] Flapping
[6] Smart Bird
