Ornithoptère - Ornithopter
Un ornithoptère (du grec ornithos « oiseau » et pteron « aile ») est un avion qui vole en battant des ailes . Les concepteurs cherchent à imiter le vol des ailes battantes des oiseaux, des chauves - souris et des insectes . Bien que les machines puissent différer dans leur forme, elles sont généralement construites à la même échelle que ces créatures volantes. Des ornithoptères habités ont également été construits, et certains ont été couronnés de succès. Les machines sont de deux types généraux : celles avec des moteurs, et celles actionnées par les muscles du pilote .
Histoire ancienne
Certaines premières tentatives de vol habité avaient peut-être pour but de réaliser un vol à ailes battantes, mais seul un plané a probablement été réalisé. Ils comprennent les prétendus vols du moine du XIe siècle Eilmer de Malmesbury (enregistré au XIIe siècle) et du poète du IXe siècle Abbas Ibn Firnas (enregistré au XVIIe siècle). Roger Bacon , écrivant en 1260, fut également parmi les premiers à envisager un moyen technologique de vol. En 1485, Léonard de Vinci commença à étudier le vol des oiseaux. Il a compris que les humains sont trop lourds, et pas assez forts, pour voler en utilisant des ailes simplement attachées aux bras. Il a donc esquissé un dispositif dans lequel l'aviateur se couche sur une planche et actionne deux grandes ailes membraneuses à l'aide de leviers à main, de pédales et d'un système de poulies.
En 1841, un forgeron kalfa (compagnon), Manojlo, qui « est venu à Belgrade de Voïvodine », a tenté de voler avec un appareil décrit comme un ornithoptère (« battant des ailes comme celles d'un oiseau »). Refusé par les autorités une autorisation de décoller du beffroi de la cathédrale Saint-Michel , il grimpe clandestinement sur le toit du Dumrukhana (siège de la taxe à l'importation) et s'envole, atterrissant dans un tas de neige, et survivant.
Les premiers ornithoptères capables de voler ont été construits en France. Jobert en 1871 a utilisé un élastique pour alimenter un petit oiseau modèle. Alphonse Pénaud , Abel Hureau de Villeneuve et Victor Tatin , fabriquèrent également des ornithoptères à caoutchouc dans les années 1870. L'ornithoptère de Tatin a peut-être été le premier à utiliser la torsion active des ailes, et il a apparemment servi de base à un jouet commercial offert par Pichancourt c. 1889. Gustave Trouvé a été le premier à utiliser la combustion interne, et son modèle de 1890 a parcouru une distance de 80 mètres lors d'une démonstration pour l'Académie française des sciences. Les ailes ont été battues par des charges de poudre à canon activant un tube de Bourdon .
À partir de 1884, Lawrence Hargrave a construit des dizaines d'ornithoptères alimentés par des élastiques, des ressorts, de la vapeur ou de l'air comprimé . Il a introduit l'utilisation de petites ailes battantes fournissant la poussée pour une plus grande aile fixe; cette innovation a éliminé le besoin de réduction de vitesse, simplifiant ainsi la construction.
EP Frost a fabriqué des ornithoptères à partir des années 1870 ; les premiers modèles étaient propulsés par des moteurs à vapeur, puis dans les années 1900, un engin à combustion interne assez grand pour une personne a été construit, bien qu'il ne vole pas.
Dans les années 1930, Alexander Lippisch et le National Socialist Flyers Corps de l'Allemagne nazie ont construit et piloté avec succès une série d'ornithoptères à combustion interne, en utilisant le concept de Hargrave de petites ailes battantes, mais avec des améliorations aérodynamiques résultant de l'étude méthodique.
Erich von Holst , travaillant également dans les années 1930, a atteint une grande efficacité et un grand réalisme dans son travail avec des ornithoptères actionnés par des élastiques. Il a obtenu peut-être le premier succès d'un ornithoptère avec une aile pliée, destiné à imiter de plus près l'action des ailes repliées des oiseaux, bien qu'il ne s'agisse pas d'une véritable aile à envergure variable comme celles des oiseaux.
Vers 1960, Percival Spencer a piloté avec succès une série d'ornithoptères sans pilote utilisant des moteurs à combustion interne allant de 0,020 à 0,80 pouce cube (0,33 à 13,11 cm 3 ) et ayant une envergure allant jusqu'à 8 pieds (2,4 m). En 1961, Percival Spencer et Jack Stephenson ont piloté le premier ornithoptère à moteur et piloté à distance, connu sous le nom de Spencer Orniplane. L'Orniplane avait une envergure de 90,7 pouces (2 300 mm), pesait 7,5 livres (3,4 kg) et était propulsé par un moteur à deux temps de 0,35 pouce cube (5,7 cm 3 ) de cylindrée . Il avait une configuration biplan, pour réduire l'oscillation du fuselage.
Vol habité
Les ornithoptères habités se répartissent en deux catégories générales : ceux propulsés par l'effort musculaire du pilote (ornithoptères à propulsion humaine) et ceux propulsés par un moteur.
Vers 1894, Otto Lilienthal , un pionnier de l'aviation, est devenu célèbre en Allemagne pour ses vols en planeur largement médiatisés et réussis. Lilienthal a également étudié le vol des oiseaux et mené des expériences connexes. Il a construit un ornithoptère, bien que son développement complet ait été empêché par sa mort prématurée le 9 août 1896 dans un accident de planeur.
En 1929, un ornithoptère à propulsion humaine conçu par Alexander Lippisch (concepteur du Messerschmitt Me 163 Komet ) a parcouru une distance de 250 à 300 mètres (800 à 1 000 pieds) après le lancement du remorquage. Depuis qu'un lancement de remorquage a été utilisé, certains se sont demandé si l'avion était capable de voler seul. Lippisch a affirmé que l'avion volait réellement, ne faisant pas un plané prolongé. (Une mesure précise de l'altitude et de la vitesse au fil du temps serait nécessaire pour résoudre cette question.) La plupart des ornithoptères à propulsion humaine suivants ont également utilisé un lancement de remorquage, et les vols ont été brefs simplement parce que la puissance musculaire humaine diminue rapidement avec le temps.
En 1942, Adalbert Schmid a effectué un vol beaucoup plus long d'un ornithoptère à propulsion humaine à Munich-Laim. Il a parcouru une distance de 900 mètres (3 000 pieds), maintenant une hauteur de 20 mètres (65 pieds) pendant la majeure partie du vol. Plus tard, ce même avion a été équipé d'un moteur de moto Sachs de trois chevaux (2,2 kW). Avec le moteur, il effectuait des vols d'une durée allant jusqu'à 15 minutes. Schmid a construit plus tard un ornithoptère de 10 chevaux (7,5 kW), basé sur le planeur Grunau-Baby IIa , qui a volé en 1947. Le deuxième avion avait des panneaux d'aile extérieurs battants.
En 2005, Yves Rousseau a reçu le Diplôme Paul Tissandier , décerné par la FAI pour ses contributions au domaine de l'aviation. Rousseau a tenté son premier vol à propulsion humaine avec des ailes battantes en 1995. Le 20 avril 2006, lors de sa 212e tentative, il a réussi à parcourir une distance de 64 mètres (210 pieds), observée par les responsables de l'Aéro Club de France. Lors de sa 213e tentative de vol, une rafale de vent a entraîné la rupture d'une aile, causant des blessures graves au pilote et le rendant paraplégique .
Une équipe de l' Institut d'études aérospatiales de l' Université de Toronto , dirigée par le professeur James DeLaurier , a travaillé pendant plusieurs années sur un ornithoptère motorisé et piloté. En juillet 2006, à l'aérodrome de Bombardier au parc Downsview à Toronto , la machine du professeur DeLaurier, l' UTIAS Ornithopter No.1 a effectué un décollage assisté par jet et un vol de 14 secondes. Selon DeLaurier, le jet était nécessaire pour un vol soutenu, mais les ailes battantes faisaient l'essentiel du travail.
Le 2 août 2010, Todd Reichert de l'Institut d'études aérospatiales de l'Université de Toronto a piloté un ornithoptère à propulsion humaine nommé Snowbird . L'avion de 32 mètres (105 pieds) d'envergure et de 42 kilogrammes (93 lb) a été construit à partir de fibre de carbone , de balsa et de mousse. Le pilote s'est assis dans un petit cockpit suspendu sous les ailes et a pompé une barre avec ses pieds pour actionner un système de fils qui faisaient battre les ailes de haut en bas. Remorqué par une voiture jusqu'à ce qu'il décolle, il a ensuite poursuivi son vol pendant près de 20 secondes. Il a volé 145 mètres (476 pieds) avec une vitesse moyenne de 25,6 km/h (15,9 mph). Des vols similaires en remorqueur ont été effectués dans le passé, mais une meilleure collecte de données a permis de vérifier que l'ornithoptère était capable de voler de manière autonome une fois en l'air.
Applications pour ornithoptères sans pilote
Les applications pratiques capitalisent sur la ressemblance avec les oiseaux ou les insectes. Colorado parcs et de la faune a utilisé ces machines pour aider à sauver le danger Gunnison tétras sage . Un faucon artificiel sous le contrôle d'un opérateur fait que le tétras reste au sol afin qu'il puisse être capturé pour étude.
Parce que les ornithoptères peuvent ressembler à des oiseaux ou des insectes, ils pourraient être utilisés pour des applications militaires telles que la reconnaissance aérienne sans alerter les ennemis qu'ils sont sous surveillance. Plusieurs ornithoptères ont été pilotés avec des caméras vidéo à bord, dont certains peuvent planer et manœuvrer dans de petits espaces. En 2011, AeroVironment, Inc. a fait la démonstration d'un ornithoptère téléguidé ressemblant à un grand colibri pour d'éventuelles missions d'espionnage.
Dirigé par Paul B. MacCready (de Gossamer Albatross ), AeroVironment, Inc. a développé un modèle radiocommandé à demi-échelle du ptérosaure géant , Quetzalcoatlus northropi , pour la Smithsonian Institution au milieu des années 1980. Il a été conçu pour jouer dans le film IMAX On the Wing . Le modèle avait une envergure de 5,5 mètres (18 pieds) et comportait un système de contrôle de pilote automatique informatisé complexe, tout comme le ptérosaure de taille normale s'appuyait sur son système neuromusculaire pour effectuer des ajustements constants en vol.
Les chercheurs espèrent éliminer les moteurs et les engrenages des conceptions actuelles en imitant de plus près les muscles du vol des animaux. Georgia Tech Research Institute de Robert C. Michelson développe un muscle chimique alternatif pour une utilisation dans les avions micrométrique-battement des ailes. Michelson utilise le terme " entomopter " pour ce type d'ornithoptère. SRI International développe des muscles artificiels en polymère qui peuvent également être utilisés pour le vol des ailes battantes.
En 2002, Krister Wolff et Peter Nordin de l' Université de technologie de Chalmers en Suède, ont construit un robot à ailes battantes qui a appris les techniques de vol. Le balsa - bois design a été tirée par l' apprentissage automatique des logiciels la technologie connue sous le nom d' un état d' équilibre linéaire algorithme évolutif . Inspiré de l' évolution naturelle , le logiciel « évolue » en réponse aux commentaires sur la façon dont il exécute une tâche donnée. Bien que confiné à un appareil de laboratoire, leur ornithoptère a développé un comportement pour une force de portance soutenue maximale et un mouvement horizontal.
Depuis 2002, le professeur Theo van Holten travaille sur un ornithoptère construit comme un hélicoptère. L'appareil s'appelle "l'ornicopter" et a été fabriqué en construisant le rotor principal de manière à ce qu'il n'ait pas de couple de réaction.
En 2008, l' aéroport d'Amsterdam Schiphol a commencé à utiliser un faucon mécanique d'aspect réaliste conçu par le fauconnier Robert Musters. Le robot oiseau radiocommandé est utilisé pour effrayer les oiseaux qui pourraient endommager les moteurs des avions.
En 2012, RoBird (anciennement Clear Flight Solutions), une spin-off de l'Université de Twente, a commencé à fabriquer des oiseaux de proie artificiels (appelés RoBird®) pour les aéroports et les industries agricoles et de gestion des déchets.
Adrian Thomas (zoologue) et Alex Caccia ont fondé Animal Dynamics Ltd en 2015, pour développer un analogue mécanique des libellules à utiliser comme drone qui surpassera les quadricoptères. Le travail est financé par le Defense Science and Technology Laboratory, la branche de recherche du ministère britannique de la Défense, et l'US Air Force.
Passe-temps
Les amateurs peuvent construire et piloter leurs propres ornithoptères. Ceux-ci vont des modèles légers alimentés par des élastiques aux modèles plus grands avec radiocommande.
Le modèle à élastique peut être assez simple dans sa conception et sa construction. Les amateurs se disputent les temps de vol les plus longs avec ces modèles. Un modèle d'introduction peut être assez simple dans sa conception et sa construction, mais les conceptions avancées de compétition sont extrêmement délicates et difficiles à construire. Roy White détient le record national des États-Unis pour la propulsion en caoutchouc en salle, avec son temps de vol de 21 minutes et 44 secondes.
Les ornithoptères jouets propulsés par des élastiques en vol libre commerciaux sont disponibles depuis longtemps. Le premier d'entre eux a été vendu sous le nom de Tim Bird à Paris en 1879. Les modèles ultérieurs ont également été vendus sous le nom de Tim Bird (fabriqués par G de Ruymbeke, France, depuis 1969).
Les conceptions commerciales radiocommandées proviennent des Seagulls à moteur de Percival Spencer, développées vers 1958, et du travail de Sean Kinkade de la fin des années 1990 à nos jours. Les ailes sont généralement entraînées par un moteur électrique. De nombreux amateurs aiment expérimenter leurs propres nouvelles conceptions et mécanismes d'ailes. La possibilité d'interagir avec de vrais oiseaux dans leur propre domaine ajoute également un grand plaisir à ce passe-temps. Les oiseaux sont souvent curieux et suivront ou étudieront le modèle pendant qu'il vole. Dans quelques cas, les oiseaux RC ont été attaqués par des oiseaux de proie , des corbeaux et même des chats. Des modèles moins chers plus récents tels que le Dragonfly de WowWee ont étendu le marché des amateurs dévoués au marché général des jouets.
Certaines ressources utiles pour les amateurs incluent The Ornithopter Design Manual, un livre écrit par Nathan Chronister, et le site Web The Ornithopter Zone, qui comprend une grande quantité d'informations sur la construction et le pilotage de ces modèles.
Les ornithoptères sont également intéressants en tant que sujet de l'un des événements de la liste des événements de l' Olympiade scientifique nationale américaine . L'événement ("Flying Bird") consiste à construire un ornithoptère automoteur selon des spécifications rigoureuses, avec des points attribués pour un temps de vol élevé et un faible poids. Des points bonus sont également attribués si l'ornithoptère ressemble à un véritable oiseau.
Aérodynamique
Comme l'ont démontré les oiseaux, les ailes battantes offrent des avantages potentiels en termes de maniabilité et d' économies d' énergie par rapport aux aéronefs à voilure fixe, ainsi qu'un décollage et un atterrissage potentiellement verticaux. Il a été suggéré que ces avantages sont les plus importants pour les petites tailles et les faibles vitesses de vol, mais le développement d'une théorie aérodynamique complète pour le battement reste un problème en suspens en raison de la nature complexe non linéaire de ces écoulements de séparation instables.
Contrairement aux avions et aux hélicoptères, les voilures motrices de l'ornithoptère ont un mouvement de battement ou d'oscillation, au lieu de rotation. Comme pour les hélicoptères, les ailes ont généralement une fonction combinée de portance et de poussée. Théoriquement, l'aile battante peut être réglée à un angle d'attaque nul lors de la course ascendante, de sorte qu'elle passe facilement dans l'air. Étant donné que généralement les profils aérodynamiques battants produisent à la fois de la portance et de la poussée, les structures induisant la traînée sont minimisées. Ces deux avantages permettent potentiellement un haut degré d'efficacité.
Conception d'aile
Si les futurs ornithoptères motorisés habités cessent d'être des avions « exotiques », imaginaires et irréels et commencent à servir les humains en tant que membres juniors de la famille des avions, les concepteurs et les ingénieurs devront résoudre non seulement les problèmes de conception des ailes, mais également de nombreux autres problèmes liés à leur sécurité. et des avions fiables. Certains de ces problèmes, tels que la stabilité, la contrôlabilité et la durabilité, sont nécessaires pour tous les aéronefs. D'autres problèmes spécifiques aux ornithoptères apparaîtront ; l'optimisation de la conception des ailes battantes n'est que l'un d'entre eux.
Un ornithoptère efficace doit avoir des ailes capables de générer à la fois la poussée , la force qui propulse l'engin vers l'avant, et la portance , la force (perpendiculaire à la direction du vol) qui maintient l'engin en vol. Ces forces doivent être suffisamment fortes pour contrer les effets de la traînée et du poids de l'engin.
Les conceptions d'ornithoptères de Leonardo ont été inspirées par son étude des oiseaux et ont conçu l'utilisation du mouvement de battement pour générer une poussée et fournir le mouvement vers l'avant nécessaire à la portance aérodynamique. Cependant, en utilisant les matériaux disponibles à cette époque, l'engin serait trop lourd et nécessiterait trop d'énergie pour produire une portance ou une poussée suffisante pour le vol. Alphonse Pénaud a introduit l'idée d'un ornithoptère motorisé en 1874. Sa conception avait une puissance limitée et était incontrôlable, ce qui l'a transformé en jouet pour enfants. Les véhicules plus récents, tels que les ornithoptères à propulsion humaine de Lippisch (1929) et d' Emil Hartman (1959), étaient des planeurs motorisés capables mais nécessitaient un véhicule de remorquage pour décoller et n'étaient peut-être pas capables de générer une portance suffisante pour un vol soutenu. . L'ornithoptère de Hartman manquait de l'arrière-plan théorique d'autres basés sur l'étude du vol ailé, mais illustrait l'idée d'un ornithoptère comme une machine ressemblant à un oiseau plutôt qu'une machine qui copie directement la méthode de vol des oiseaux. Les années 1960 ont vu des ornithoptères motorisés sans pilote de différentes tailles capables d'effectuer et de maintenir un vol, fournissant de précieux exemples concrets de vol ailé mécanique. En 1991, Harris et DeLaurier ont piloté le premier ornithoptère piloté à distance propulsé par un moteur à Toronto, au Canada. En 1999, un ornithoptère piloté basé sur cette conception a volé, capable de décoller d'une chaussée plane et d'exécuter un vol soutenu.
Les ailes battantes d'un ornithoptère et leur mouvement dans l'air sont conçus pour maximiser la portance générée dans les limites du poids, de la résistance des matériaux et de la complexité mécanique. Un matériau d'aile flexible peut augmenter l'efficacité tout en gardant le mécanisme d'entraînement simple. Dans les conceptions d'aile avec le longeron suffisamment en avant du profil aérodynamique pour que le centre aérodynamique soit en arrière de l'axe élastique de l'aile, la déformation aéroélastique amène l'aile à se déplacer d'une manière proche de son efficacité idéale (dans laquelle les angles de tangage retardent les déplacements plongeants d'environ 90 degrés.) Les ailes battantes augmentent la traînée et ne sont pas aussi efficaces que les avions à hélice. Certaines conceptions atteignent une efficacité accrue en appliquant plus de puissance sur la course descendante que sur la course ascendante, comme le font la plupart des oiseaux.
Afin d'obtenir la flexibilité et le poids minimum souhaités, les ingénieurs et les chercheurs ont expérimenté des ailes qui nécessitent de la fibre de carbone, du contreplaqué, du tissu et des nervures, avec un bord de fuite rigide et solide. Toute masse située à l'arrière de l'empennage réduit les performances de l'aile, des matériaux légers et un espace vide sont donc utilisés dans la mesure du possible. Pour minimiser la traînée et conserver la forme souhaitée, le choix d'un matériau pour la surface de l'aile est également important. Dans les expériences de DeLaurier, une surface aérodynamique lisse avec un profil aérodynamique à double surface est plus efficace pour produire de la portance qu'un profil aérodynamique à surface unique.
Les autres ornithoptères n'agissent pas nécessairement comme des oiseaux ou des chauves-souris en vol. Généralement, les oiseaux et les chauves-souris ont des ailes fines et cambrées pour produire une portance et une poussée. Les ornithoptères aux ailes plus fines ont un angle d'attaque limité mais offrent des performances optimales de traînée minimale pour un seul coefficient de portance.
Bien que les colibris volent avec des ailes complètement déployées, un tel vol n'est pas possible pour un ornithoptère. Si une aile d'ornithoptère se déployait complètement, se tordait et battait en petits mouvements, elle provoquerait un décrochage, et si elle se tordait et battait en de très grands mouvements, elle agirait comme un moulin à vent provoquant une situation de vol inefficace.
Une équipe d'ingénieurs et de chercheurs appelée "Fullwing" a créé un ornithoptère qui a une portance moyenne de plus de 8 livres, une poussée moyenne de 0,88 livres et une efficacité de propulsion de 54%. Les ailes ont été testées dans une soufflerie à basse vitesse mesurant les performances aérodynamiques, montrant que plus la fréquence du battement des ailes est élevée, plus la poussée moyenne de l'ornithoptère est élevée.
Voir également
- Gyroplane
- Hélicoptère
- Avion à propulsion humaine
- Insectothopter
- Micro véhicule aérien
- Insecte volant micromécanique
- Nano Colibri
- Aéronefs à voilure tournante
- STOL / VTOL / STOVL / VSTOL
Les références
Lectures complémentaires
- Chroniqueur, Nathan. (1999). Le manuel de conception d'ornithnopter . Publié par La Zone Ornithoptère .
- Mueller, Thomas J. (2001). « Aérodynamique des ailes fixes et battantes pour les applications de micro-véhicules aériens ». Virginie : Inst. de l'aéronautique et de l'astronautique. ISBN 1-56347-517-0
- Azuma, Akira (2006). « La biocinétique du vol et de la natation ». Virginie : Institut américain d'aéronautique et d'astronautique 2e édition. ISBN 1-56347-781-5 .
- DeLaurier, James D. " Le développement et les essais d'un ornithoptère piloté à grande échelle. " Revue canadienne de l'aéronautique et de l'espace . 45. 2 (1999), 72-82. (consulté le 30 novembre 2010).
- Warrick, Douglas, Bret Tobalske, Donald Powers et Michael Dickinson. " L'aérodynamique du vol de colibri. " Institut américain d'aéronautique et d'astronautique 1-5. La toile. 30 novembre 2010.
- Crouch, Tom D. Aircraft du National Air and Space Museum. Quatrième éd. Planeur standard Lilienthal. Smithsonian Institution, 1991.
- Bilstein, Roger E. Vol en Amérique 1900-1983. Première éd. Planeurs et avions. Baltimore, Maryland : Johns Hopkins University Press, 1984. (pages 8-9)
- Accroupi, Tom D. Wings. Une histoire de l'aviation des cerfs-volants à l'ère spatiale. Première éd. New York : WW Norton & Company, Inc., 2003. (pages 44-53)
- Anderson, John D. Une histoire de l'aérodynamique et de son impact sur les machines volantes. Cambridge : Royaume-Uni, 1997.