Comment Volent les Ornithoptères

1. Brève explication

Un ornithoptère est un appareil volant plus lourd que l'air qui vole comme un oiseau en battant des ailes. Sa particularité est que l'aile assure non seulement la portance, mais aussi la poussée.

Les ornithoptères sont construits pour la plupart de la taille des oiseaux ou des modèles réduits volants et sont désignés comme modèles à ailes battantes ou maquettes à vol battu.

Le principe de base du fonctionnement d'une aile battante a déjà été dévoilé par Otto Lilienthal (1889). Sa description est encore aujourd'hui un guide pour comprendre la manière de voler d'un grand ornithoptère. Beaucoup de détails sont encore cependant incompris comme auparavant.

Depuis lors il y a différentes variantes de la théorie du vol battu. Elles existent les unes à côté des autres et leurs descriptions sont largement répandues. Un calcul de l'équilibre des forces, même dans le cas d'une aile droite, battant seulement lentement, reste difficile. En règle générale, la théorie n'est possible que fortement simplifiée. De plus, les mécanismes de propulsion et surtout les procédés de construction des ailes connus jusqu'à présent laissent encore beaucoup à désirer.

Les ornithoptères sont ainsi à tout point de vue toujours encore au début de leur développement. Des dispositifs de propulsion performants permettent pourtant déjà la réalisation de très beaux vols.

Ici aussi ne voici en résumé qu'une variante de la théorie du vol battu.

2. Principe du fonctionnement de l'aile battante

Diagramme 1

Répartition de portance optimisée pour le vol ascensionnel régulier avec une envergure de l'aile limitée

Diagramme 2

Répartition de portance optimisée pour le vol ascensionnel régulier avec une envergure de l'aile non limitée

Pour une aile battante étendue une portance se produit de la même façon que pour une aile rigide plongée dans un écoulement frontal.

Seulement, l'air frappe l'aile plutôt en venant du haut, lors du battement en élévation, et davantage en venant du bas lors de l'abattée. Ces distinctions sont minimes dans la région de l'emplanture et deviennent plus importantes vers la pointe de l'aile.

L'aile doit s'ajuster à ces changements de direction de l'écoulement par une modification permanente de sa torsion. Malgré cela, la répartition de la portance change le long de l'envergure (voir les diagrammes).

Lors de l'abattée de l'aile, la portance est globalement plus forte que dans le vol plané et plus spécialement répartie vers l'extrémité de l'aile. Comme il est facile de le voir, il existe une poussée résultant de ce mouvement de battement sur toute la longueur de l'aile. Cela fonctionne comme avec une pale d'hélice de très grande taille, avec cette différence qu'ici la force résultante de l'hélice se caractérise par une portance et qu'elle est aussi utilisée comme telle.

Diagramme des vecteurs des forces et des vitesses

Allure des efforts lors du battement en élévation

Lors de l'élévation de l'aile, les conditions s'inversent. La portance est dans l'ensemble plus réduite et surtout concentrée vers l'emplanture. Avec le mouvement de l'aile dans la direction de la force de portance, l'aile battante agit maintenant comme une aile de moulin à vent. Si la force de portance est assez grande, elle pousse l'aile vers le haut, sans mécanisme de propulsion. L'aile travaille alors avec la résistance de l'aile de moulin à vent contre la direction du vol (voir le diagramme vectoriel).

Simultanément à l'élévation de l'aile la région externe de l'aile est baignée par un écoulement qui vient plutôt du haut. Il s'ensuit alors une force opposée à la portance, mais également une poussée, comme avec une hélice (voir les diagrammes vectoriels).

La répartition de la portance dépend de la façon dont prédomine le mode de fonctionnement de l'aile : aile de moulin à vent ou hélice (voir des précisions là-dessus dans la prochaine section).

Comparaison de différentes machines aérodynamiques

Les images ci-jointes ont pour but de montrer les divergences dans chacun de ces cas avec l'hélice propulsive ou l'aile de moulin à vent. Les rapports de grandeur des vitesses sont très différents dans le cas de l'aile battante. Les machines rotatives ne sont certes pas conçues pour fournir de la portance simultanément à la poussée.

Une aile battante est une machine aérodynamique avec deux temps de travail, le battement de l'aile en élévation et son abattée. Dans l'écoulement horizontal non accéléré d'un ornithoptère réduit à son aile, le bilan de l'action de cette machine est nul. Elle se meut d'elle-même, mais n'exécute aucun travail.

La poussée totale de l'aile battante est d'autant plus forte que la répartition de la portance entre l'élévation de l'aile et son abattée est différente - en particulier dans la région externe de l'aile où s'accomplit la majeure partie du travail de poussée. Si cette différence est nulle, résistance à l'avancement et propulsion sont égales et elles se compensent mutuellement (Cf. le diagramme vectoriel ci-dessus et
A. Lippisch 1938). La propulsion résultante est alors nulle. Quand existe une différence de portance la poussée s'accroît aussi avec l'augmentation de la fréquence de battement.

Lift and propulsion along the wing

La résultante de portance est aussi déterminée par l'angle d'incidence de l'aile à l'emplanture. Sur les répartitions de portance représentées ci-dessus l'angle d'incidence est gardé constant. Les différences représentées de la portance à l'emplanture proviennent de différences sur l'angle de déviation de la vitesse induite. Pour répartir également la portance totale de l'aile E. v. Holst (1943) propose une rotation de l'aile à l'emplanture en même temps qu'une torsion de l'aile (for more information, please see the article Lift during wing upstroke, version 10.1, PDF 1.0 Mo.

Pour un écoulement stationnaire toutes les forces qui agissent sur l'ornithoptère - dites à juste titre forces d'impulsion - doivent se trouver en équilibre au cours de toute la période de battement. L'action en mode hélice doit ainsi compenser l'action en mode aile de moulin à vent ainsi que les résistances de l'aile et de l'appareil. Simultanément, la part positive de la portance doit excéder la part négative de façon à pouvoir supporter le poids de l'appareil.

Very thorough observations of the bird flight and interesting ideas of the wing upstroke and the wing turning also shows Brendan Body homepage, voir lien Web 1.

3. Propriétés de l'aile battante en vol

3.2 Vol de croisière

Pour en finir avec la façon précédente de voler, il est avantageux lors du battement d'aile vers le haut tout à la fois d'accroître la portance et de la déplacer davantage vers le bout de l'aile. Là alors ne se produit- si toutefois c'est le cas- que très peu de force vers le bas (voir les vecteurs de forces sur l'image suivante). Dans cette façon de voler toutefois, l'action d'aile de moulin à vent et sa traînée deviennent plus grandes.

Que cela doive être un avantage est tout d'abord étonnant. Le fonctionnement en tant qu'aile de moulin à vent dans la région de la pointe de l'aile ne peut certes plus produire directement de la poussée. Ne serait-il pas mieux de réduire seulement la fréquence de battement?

Forces lors des battements en élévation et en abattée
d'après Otto Lilienthal

D'après un projet de Otto Lilienthal, il y a encore une seconde possibilité d'utiliser à nouveau l'énergie de moulin à vent, soit celle du battement d'aile vers le haut. La traînée tout d'abord ralentit le vol de l'ornithoptère. L'énergie cinétique retirée par là de la maquette peut être emmagasinée dans un ressort. Ce ressort doit être disposé de façon à se tendre lors du battement vers le haut. Il se détend alors pour l'abattée et assiste le mouvement de battement, créant ainsi de la poussée et transformant de nouveau l'énergie du battement vers le haut de l'aile en énergie cinétique.

Une troisième possibilité pour utiliser la force de moulin à vent est d'accélérer la masse de l'aile dans la direction du coup d'aile vers le haut. Si les ailes sont ralenties par un ressort à la fin de leur mouvement vers le haut et de nouveau accélérées dans l'abattée, il s'ensuit de la sorte également une récupération de l'énergie du battement vers le haut. L'accélération de l'aile ne doit pas alors rester réservée au début du battement vers le haut.

Dans ces cas-là, un mécanisme n'est pas nécessaire pour propulser l'aile vers le haut. L'aile fournit même de l'énergie aux ressorts mentionnés ci-dessus. Après tout, le mouvement de l'aile en tant que moulin à vent doit s'effectuer contre une force, n'importe laquelle, et de plus il ne peut résulter aucune portance pour une aile librement mobile.

L'énergie délivrée par le battement de l'aile vers le haut est normalement relativement faible. Elle est d'autant plus forte que l'engin volant est mieux construit sur le plan aérodynamique.

Une bonne démarche pour minimiser l'action de moulin à vent malgré une forte production de portance est de tirer vers le haut ou vers l'arrière la région externe de l'aile lors de l'élévation de la partie interne. La partie externe de l'aile sert de winglet pour la partie interne.

• Avant tout, cela diminue l'action de l'aile en tant que moulin à vent.
• Simultanément, cela diminue par son effet winglet la traînée induite de la région interne de l'aile.
• En outre, cela réduit l'inertie de la masse de l'aile, en particulier dans le domaine de la position haute du bout de l'aile.

Pour rendre possible une poussée considérable de la partie interne de l'aile lors de l'abattée, celle-ci doit présenter une forte cambrure du profil.

Cygne en vol de croisière

Ci-contre un cygne en vol de croisière tout contre la surface de l'eau.

ralenti et agrandi (0.4 Mo)

Si une portance résulte en fin de compte du mouvement d'aile vers le haut, l'aile battante agit alors comme une machine aérodynamique à deux temps, permanente dans la direction de la portance, mais changeant de sens dans la direction de l'écoulement. Néanmoins, grâce à l'utilisation de l'énergie de moulin à vent, toute l'énergie de propulsion est utilisée pour la fourniture de la poussée vers l'avant - avec naturellement les pertes habituelles de la traînée de profil et de la traînée induite. Ces traînées interviennent toujours aussi dans la production de la portance.

En dépit des changements d'accélération, la vitesse de vol doit rester constante le plus possible. Une grande fréquence de battements ou bien une grande inertie de masse du modèle est à coup sûr pour cela un avantage.

Dans les configurations de ce type de battement d'aile pour des vols de croisière la portance est plus grande que pour le vol ascensionnel régulier. A côté de la production de poussée, la production de portance peut aussi être délivrée lors de l'abattée. La portance est répartie dans ce cas davantage vers le tronc et elle est en même temps plus faible.

Diagramme 4

Répartition de portance pour le vol de croisière avec une envergure de l'aile non limitée.
La répartition de portance du battement en élévation est optimale, compte tenu de la traînée induite minimale.

En fin de compte, dans le vol de croisière, les répartitions de portance sont ainsi pour les deux temps actifs proches de la répartition de portance du vol plané. Elles sont d'autant plus proches l'une de l'autre que l'engin volant est mieux construit sur le plan aérodynamique. Il est alors nécessaire de peu de poussée. En outre la traînée induite lors de l'abattée devient remarquablement faible.

Il suffit alors peut-être même de distribuer un peu de portance le long de l'envergure, sans changer sa grandeur, vers l'emplanture de l'aile lors du battement vers le haut et vers la pointe de l'aile lors de l'abattée.

Mouette en vol de croisière

ralenti et agrandi

En fin de compte on peut obtenir un vol de croisière effectif avec une force de poussée dirigée seulement vers l'avant et nullement vers le bas.

When this gait is perfected, it shows the following characteristics according to Konrad Lorenz (1933): A very slight bending of the hand wing during upstroke and a constant lift. An up and down swinging of the bird thereby is no longer observable (K. Lorenz named the flying with lift as glide rowing).

La fréquence de battements est alors nettement plus faible que dans le type de vol suivant.

3.3 Vol ascensionnel rapide et vol plané

Dans ce qui précède, des situations de vol sont décrites dans lesquelles la portance est dirigée vers le haut et la poussée vers l'avant. Le poids total en vol est soutenu par la portance de l'aile. En résumé, on désigne cela par voler avec la portance.

Comme on le fait avec une hélice motrice, on peut aussi avec une aile battante compenser le poids avec un jet de poussée dirigé vers le bas ou avec une force de poussée dirigée vers le haut. C'est voler avec la poussée. Le battement de l'aile vers le haut ne se fait en outre pratiquement qu'avec de la propulsion. Au moins en vol permanent la force de poussée est toujours perpendiculaire au plan de battement de l'aile et peut être obtenue conformément à l'inclinaison de ce dernier.

Approche

Si la poussée s'exerce juste dans la direction du vol, le vol se présente alors à proprement parler soit comme le vol avec la poussée (vol vertical), soit comme le vol avec la portance (vol de croisière). Entre ces dispositions extrêmes, et dans le cas d'un mouvement horizontal pas trop lent, la compensation du poids en vol se fait non seulement par la poussée mais aussi directement par la portance de l'aile. Ces configurations mixtes sont aussi classifiées comme vol avec la poussée.

La sortie d'un ornithoptère de sa position actuelle, un vol sur place, le vol ascensionnel abrupt et le vol lent horizontal ne sont possibles que d'après la méthode du vol avec la poussée. En revanche des vols horizontaux modérément rapides peuvent être exécutés avec les deux façons de voler - mais aussi avec un rendement bien différent. Les vols horizontaux relativement rapides ou le vol de croisière ne sont à prendre en considération qu'avec le vol avec la portance.

Dans la pratique du vol, l'inclinaison du plan de battement est une marque significative de la façon de voler. Dans le vol horizontal, ce plan est perpendiculaire à la direction du vol. S'en écarte-t-il franchement (de plus de 10 degrés), on a à faire à un vol avec la poussée. En outre, dans le cas d'une torsion passive de l'aile, une forte torsion lors de l'élévation de l'aile est un indice de ce mode de vol- du moins aux grands nombres de Reynolds. Une relativement grande consommation d'énergie en rapport avec la vitesse horizontale en est également un indice.

En outre, chez les oiseaux, du moins chez les plus grands, dans le vol avec la poussée, les pattes ne sont pas totalement tendues en arrière et le corps n'est pas encore complètement dans la direction du vol ( R. Demoll 1930). Dans les publications de recherche sur le vol des oiseaux, il n'y a sans doute que de rares indications sur les deux façons inégales de voler horizontalement. La forte consommation d'énergie du vol lent provient presque uniquement de la traînée induite élevée dans ce cas (voir lien Web 2).

A. Pénaud (1872)

Le vol avec la poussée, on sait le réaliser déjà depuis les débuts de l'aviation. En vol horizontal un grand et lourd ornithoptère exige ce mode de vol, mais avec considérablement plus d'énergie que dans le vol avec la portance.

Déjà, avec les oiseaux, Otto Lilienthal a clairement distingué les deux manières de voler et il a indiqué le grand travail dépensé dans le vol lent.

4. Comment volent les oiseaux

Les oiseaux utilisent à la fois la production de leur portance pour créer leur propulsion, c'est-à- dire de la poussée. E. von Holst a représenté cela sur le schéma suivant très suggestif. La situation du centre de la répartition de la portance y est matérialisée par un élément de l'aile déplacé le long de la demi-envergure.

Le principe du fonctionnement
de la création de la portance et de la poussée dans le vol des oiseaux.

Au point de retour situé en haut du battement de l'aile il s'agit d'un élément en bout d'aile et au point de retour en bas du battement de l'aile, c'est un élément situé près de l'emplanture. Sur une période complète de battement, on peut ainsi voir la force de poussée S devenir supérieure à la force de retrait R tout en gardant la force transversale Q (la portance).

Avec cette disposition géniale de la nature, de la portance est créée aussi lors de l'élévation et pourtant la création de poussée est possible.

Comme les oiseaux ont une formation favorable aux courants d'air, il leur suffit d'une légère contribution pour créer leur portance lors de leur vol de croisière ( voir par exemple la situation du centre de pression sur le diagramme 4, en haut).

Les ailes battantes animales servent à coup sûr de modèle, mais elles sont beaucoup plus complexes que les ailes battantes de la technologie.

Les composantes essentielles du mouvement d'une aile d'oiseau sont, outre le déplacement vers l'avant:

• un mouvement de battement uautour de l'articulation de l'épaule. Dans le vol de croisière l'axe du battement est sensiblement parallèle à l'axe du corps. L'angle de battement, la fréquence de battement et sa durée se situent entre de larges limites.
• l'extension vers le haut ou le bas de la partie externe de l'aile lors du mouvement vers le haut de la partie interne de l'aile. Suivant le type d'oiseau ou la situation de vol, il peut y avoir de grandes différences.
• l'inclinaison du plan de battement de l'aile. Elle est définie par l'inclinaison de l'axe de battement de l'aile. Les oiseaux ont la possibilité de modifier l'orientation de l'axe de battement par rapport à leur corps et de modifier l'orientation de l'axe de leur corps par rapport à la direction du vol.
• la torsion de l'aile. Elle augmente vers le bout de l'aile - le plus souvent en incidence positive lors de l'élévation de l'aile et en incidence négative lors de l'abattée.
• la rotation de l'aile à l'emplanture, en particulier dans le vol avec la poussée et le plus souvent dans le sens de la torsion de l'aile. Dans le vol de croisière des grands oiseaux, il est rare de la déceler.
• la flèche, en particulier de la portion externe de l'aile lors de l'élévation, avec le mouvement vers l'arrière de l'extrémité de l'aile. En règle générale, plusieurs angles de flèche sont employés simultanément sur la largeur d'une demi-envergure. C'est avant tout les petits oiseaux qui l'utilisent. Ils replient l'aile lors de son élévation partiellement voire aussi complètement.

Le mouvement de battement de l'aile est nécessaire à la production de poussée. En application de règle aérodynamique, la torsion de l'aile l'est également. La rotation et la flèche de l'aile, ainsi que l'étirement vers le haut de la partie externe de l'aile servent par contre seulement à accroître l'efficacité de la configuration. Sur le fonctionnement de ces dispositions, on a uniquement de vagues indications.

On ne connaît pas ici de réponse à la question de savoir si les oiseaux pour l'utilisation de l'énergie de battement récupérée lors de l'élévation de l'aile emploient autre chose que la possibilité mentionnée au paragraphe 1 ci-dessus, comme par exemple les kangourous sauteurs qui font usage d'éléments constitutifs faisant ressort.

Toutes les composantes de mouvement précédentes sont utilisées en combinaison par les oiseaux avec en plus:

Cigogne en vol plané

• la modification du profil de l'aile,
• l'utilisation de l'effet de bec de bord d'attaque par extension de la plume du pouce,
• l'insertion de plumes à l'extrémité de l'aile pour diminuer la traînée induite par leur disposition en éventail et leur chevauchement,
• l'évacuation vers l'extérieur, par un mouvement de battement des parties interne et externe de l'aile, de l'écoulement de l'air, sous forme d'onde déplacée en phase, ce qui réduit la traînée induite,
• le contrôle de la couche limite au bord d'attaque sur l'extrados et au bord de fuite de l'aile... et bien d'autres choses.

Atteindre de façon seulement approchée l'un de ces degrés de perfection est techniquement impossible encore pour longtemps.

Dans la plupart des écrits sur le vol des oiseaux, la fonction du battement d'aile en abattée est aussi comparée au mode d'action d'une hélice. Sans doute pour les oiseaux cela vaut-il seulement pour le domaine externe de l'aile. On est en outre d'accord sur le fait que c'est lors de l'abattée de l'aile qu'il y a le plus de portance. Cette représentation correspond le mieux à la théorie décrite ci-dessus.

En revanche, il semble en être autrement lors du battement en élévation de l'aile des oiseaux. Au moins pour le vol de croisière ce battement est décrit de façon différente et souvent seulement approximative. Pour éviter d'accroître la traînée lors du battement en élévation, la portance n'est exigée que dans la région de l'aile située près du corps de l'oiseau. La région externe de l'aile doit par contre être tirée vers le haut sans dépense notable de force. Aussi sur la cause du supplément notoire de traînée (dû à l'énergie de moulin à vent) très peu de déclarations seulement ont été faites (seulement par O. Lilienthal, et E. v. Holst, for more information, please see the article Lift during wing upstroke, version 10.1, PDF 1.0 Mo.).

Les petits oiseaux contournent quelquefois la problématique du supplément de traînée. Ils renoncent alors dans le battement d'aile en élévation à presque toute la portance. Pour cela, ils plient leur aile dans un mouvement d'ensemble dans la direction du battement. Presque toujours la portance est décrite comme faible lors du battement en élévation par rapport au cas de l'abattée.

La répartition de la portance donnée pour le battement d'aile en élévation des oiseaux - donc avec portance près du corps et sans portance dans le domaine externe de l'aile - est à peine réalisable le long de l'envergure de l'aile par suite du compromis de pression qui s'y établit. Une répartition de la portance selon laquelle la production s'arrête au milieu de l'aile contredit aussi les lois des tourbillons (loi tourbillonnaire de Helmholtz). Les oiseaux sont à coup sûr dans la situation de réduire sérieusement lors du battement d'aile en élévation la production de portance dans la région externe de l'aile. En même temps, ils peuvent par nécessité disposer les forces de portance qui restent encore là positives et négatives de façon telle que la portance moyenne de la région externe de l'aile soit nulle. C'est ce qu'on peut voir sur les diagrammes ci-dessus mentionnés (par exemple pour le vol ascensionnel à platt, diagramme 2 et le vol de croisière horizontal, diagramme 4).

De plus amples détails de la théorie de l'aile battante et un développement de calculs d'après la méthode qu'a déjà utilisée Otto Lilienthal pour les ailes battantes se trouvent dans le Manuel.