Hoe Ornithopters Vliegen

2.1 Het zeil als basisvorm

Een zeil, hoewel op een andere manier toegepast, heeft bijna dezelfde functie als een slagvleugel. Het moet zoveel mogelijk stuwkracht leveren bij veranderlijke richtingen van de luchtstroom.

Door materiaalkeuze, samenstelling, onderverdeling en vormgeving kunnen de zeileigenschappen behoorlijk verschillen. Zeillatten geven het zeil meer stabiliteit en een optimale vorm. Over de fabricage van zeilen en hun praktische toepassing kan men veel beschrijvingen met belangrijke informatie vinden.

Er zijn inderdaad veel membraanslavleugelsystemen ontwikkeld, maar er is nauwelijks gedetailleerde informatie beschikbaar.

2.2 Eenvoudig membraanslagvleugels

De Aandrijfvleugels van Alexander Lippisch (ca. 1937) waren duidelijk geoptimaliseerd voor de opwekking van aandrijfkracht. Daarom werd de koorde aan het uiteinde van de vleugels zeer groot uitgevoerd. Deze vleugelaandrijving was niet bedoeld om ook tegelijkertijd lift op te wekken.

Tim is het eerste rubbermotor aangedreven slagvleugelmodel met eenvoudige membraanslagvleugels dat in massa is geproduceerd. Het model is uitgevonden door Albertini Prosper en de Ruymbeke Gérard (Frankrijk 1969).

De tekening op de membraanvleugels van de Tim is getekend door K. Herzog.
Onder de benaming Tim Bird is het model tot op de dag van vandaag nog te koop.

2.3 Eenvoudig membraanslagvleugels met zeillatten

Hierboven wordt het fameuze membraan­slagvleugelmodel, voorzien van smalle zeillattenten behoeve van stabilisatie, getoond. Het model is ontwikkeld door A. Pénaud (Frankrijk 1872). Voor meer informatie ga naar externe link 1

2.4 Actieve verdraaiing door rotatie
van de voorligger

Membraanslagvleugels, ontwikkeld door Erich von Holst / Karl Herzog (1963) met door de aandrijving geregelde verdraaiing van armvleugel door voorliggerrotatie. Alleen de laatste rib van de armvleugel (nummer 9) is vast bevestigd aan de ligger. Deze is verbonden met een krukasaandrijving die zowel de slag- als ook de draaibeweging van de ligger bewerkstelligd.

Het verdraaien van de handvleugel is grotendeels passief. Daarbij kan de dwarsbeweging van de latten kruislings ten opzichte van de lengteas worden gezien. Ondanks de veranderende profielwelving gedurende de slagperiode wordt een relatief doelmatige toename van de vleugelverdraaiing richting de vleugeltip gerealiseerd.

De vogelmodellen van K. Herzog (1963) gebruiken dit principe ook.

2.5 Aëro-elastische verdraaiing
door het liggermoment

Het slagvleugelmodel van de Tjech Cenek Chalupsky (1934), met zijn aëro-elastische verdraaiing over de hele lengte van de vleugel door een liggermoment, vloog heel stabiel zonder staart. Het bereikte een aanzienlijk klimvermogen dat tot op de dag van vandaag nog als opmerkelijk mag worden beschouwd.

Iedere slagvleugel van deze ornithopter heeft twee liggers. De rechte, buigstijve ligger (H1) brengt de kracht van de slagbeweging over. De gebogen, torsie-elastische ligger (H2) bepaalt de mate van vleugelverdraaiing.

Beide ligers kruisen elkaar ongeveer op de halve spanwijdte. Op het kruispunt zijn ze flexibel met elkaar verbonden. Om te voorkomen dat de torsie-elastische ligger (H2) bij de vleugeltip niet teveel naar achteren buigt, is tussen de liggeruiteinden hiertoe een draad of een elastiek gespannen.

Bij de neergaande vleugelslag worden de liftkrachten groter. De ligger (H2) en de vleugel verdraaien ten opzichte van elkaar. De mate van verdraaiing past zich aan de grootte van de liftkracht en de liggrstijfheid aan. Ze geschiedt derhalve dan ook aëro-elastisch.

Gelijktijdig met de verdraaiing buigt bij de neergaande slag het uiteinde van de ligger (H2) zich naar boven. Als reactie daarop buigt deze zich aan de andere kant van de liggerkruising - dus in het arrmvleugelbereik - naar achteren door. Op deze manier worden de eisen aan de slagbeweging doeltreffend verbeterd.

Zie het Literatuurverwijzingen Piskorsch Adolf (1975): Druklucht-Slagvleugelmodel Chalupsky en de video van de externe link 2

2.6 Staartloze ornithopter

2.7 In tandem

Ornithopters met twee sets slagvleugels zijn gebaseerd op een libelle en ontwikkeld door E. v. Holst (1940) / K. Herzog (1963).

Voor het vereenvoudigen van het aandrijfmechanisme zijn de twee tegenovergestelde vleugelhelften vast met elkaar verbonden. Op deze manier wordt het drukpunt gefixeerd tussen de twee vleugels.

Met deze tandemopstelling met vleugels die in tegenovergestelde richting bewegen kan de vertikaal op en neer bewegen van de romp worden tegengegaan. Dat heeft echter het nadeel dat de achterste slagvleugel in de wervelstroming van de voorste terecht komt. Alleen bij kleine vleugels, met name bij kleine Re-getallen zou dit eventueel een voordeel kunnen zijn. Slagvleugelmodel van Horst Händler (1988)

2.8 Drijfvleugel

Bij de mechanisatie van het vliegprincipe van een libelle heeft Erich von Holst (1948) zijn aangedreven vleugelmodel met twee, zich in tegengestelde richting draaiende driebladige vleugels ontwikkeld (zie fragment op de video van de drijfvleugel)

De slaghoek in één richting is gelijk aan 180° en de gehele slagperiode is 360°. Drie in plaats van twee vleugelbladen per rotor leveren een constante lift kracht

In tegenstelling tot een propeller levert de propellervleugel ook een liftkracht die loodrecht staat op de stuwkracht. Men hoeft alleen de drijfkracht/ voortgangs-verhouding te verhogen (v/u). Net als bij een slagvleugel moet er gevlogen worden met een kleine positieve invalshoek ten opzichte van de de as van de stuwkracht.

Dit is een mooi voorbeeld van de innovatieve omzetting van een biologisch naar een technisch principe. Het vakgebied Bionica bestond toen echter nog niet.

Zie ook de configuratie van het rubbermotor aangedreven model ENTOID (2007) van Velko T. Velkov in de externe link 4.

2.9 Oscillerende vaste vleugel

Stuwkracht kan ook opgewekt worden door het oscillerend bewegen van de complete vaste vleugel. Hierbij moet de lift kracht tijdens het omhoog gaan kleiner zijn dan tijdens het neergaan. Hoe groter het verschil is, des te beter is dat voor de stuwkracht (zie het vliegprincipe/vector diagram). Verder is normaal gesproken een continue instelling van de invalshoek noodzakelijk.

Hier wordt een heel simpele opwekking van een overeenkomstige oscillerende beweging van de vleugel gerealiseerd door het gebruik een om as draaiende roterende massa, bestaande uit een hoofdveer en een tandwiel. In dit geval is de vleugel aëro-elastisch verdraaibaar. Dit idee is bedacht door B. W. Mituritscha (waarschijnlijk uit Rusland, 1953).

Jammer genoeg vertoont de vleugel een voor- en achterwaartse beweging tijdens deze beweging. Dit kan echter worden tegengegaan door een tweede tegenovergesteld werkend contragewicht.

Er zijn verschillende voorstellen om een oscillerende beweging te realiseren door de piloot zelf, in een zeilvliegttuig of een Ultra-Light, bijvoorbeeld door middel van snel opdrukken of kniebuigingen.

Entirely different model experiments with oscillating wings shows Karl-Heinz-Helling with his Double flapping wing airplane (2008, externe link 5).

In principle, the driveless Zeppelin Phoenix generates propulsion in the same way with its wings, by its own up and down motions. British engineers have developed it since 2016 (please look at externe link 6). Also, hot-air balloons can become a little manoeuvrable with such wings during ascent and descent.

2.10 Rotorvleugels

Om acceleratiekrachten te voorkomen bij de eindposities worden soms slagvleugels gebouwd die ronddraaien in een conusachtige houder waarvan het drukpunt bij de vleugelwortel ligt.

Voorbeelden:
De Rotorlibelle (1944 en 1989) van Adolf Pikorsch

en

het modelvliegtuig van Horst Händler (1989). Bij het model zijn de beide einden van de aandrijfas geknikt. De vleugels zijn er vrij draaibaar opgeplaatst. De instelhoeken worden door de aan de vleugel naar boven uitstekende hefbomen geleid.

2.11 Met niet-verdraaibare vleugelsectie

Membraanslagvleugels van P. H. Spencer met een niet verdraaiende armvleugelsectie en een passief verdraaiende handvleugelsectie. Vanuit aërodynamisch oogpunt gezien ontstaat er binnen het bereik van de armvleugels, door de aan de achterzijde gemonteerde handvleugels alsnog een soort verdraaiing. Bij de neergaande slag vermindert en bij de opgaande slag vergroot hij de lift op de armvleugel. Dit ondersteunt de liftverschuiving, maar vereist negatieve lift in het hele handvleugelgebied in het opgaande slag.

De armvleugel heeft een driehoekig vorm en heeft een grote koorde bij de vleugelwortel. het arm- en handmembraan overlappen elkaar in de richting van de vleugelspanwijdte. Het is duidelijk dat de handvleugelligger een kleine slag kan maken in het handgewricht. Daarna wordt de handkoorde weer groter (zie ook de constructie van de Aandrijfvleugels van Alexander Lippisch).

Deze Deadalus-achtige slagvleugel van de zeemeeuw werd ontwikkeld door Percival H. Spencer (USA 1958, zie externe link 7).

Tegenwoordig wordt dit principe van slagvleugels met ingevoegde zeillatten heel vaak toegepast.

3.1 Met kunstveren

Om het verdraaien te vergemakkelijken kan het gesloten vleugelprofiel worden open gespreid. Dit wordt tot nu toe in het bijzonder bij grote mandragende slagvleugelconstructies toegepast.

In de volgende afbeelding wordt een slagvleugel met gespreide vleugeltips van de bemande Zwaan 1, die werd ontwikkeld door Walther Filter (1955, getoond op de Hannover Messe 1958). De invalshoeken van de veren, die ontworpen zijn als vleugels, zijn bestuurbaar (zie ook de externe link 8).

Zelfs voor de schuif- en de spreidbeweging van de veren bestaan oude ontwerpvoorstellen. In tegenstelling daarmee zijn bij de EV7b slechts simpele toepassingen met veren uitgevoerd.

Een ander voorbeeld van toepassing van kunstveren is te zien bij de Ikarus van Emiel Hartman (Engeland 1959).

Meer recentere experimenten met kunstmatige veren vindt men bij de Vogelman Georges Fraisé (Frankrijk 2005, zie ook de externe link 9).

3.2 Met een onder een hoek geplaatste ophanging van de handvleugel

Een speciale uitvoering van een slagvleugel komt van K. Herzog (1963). Bij deze vleugel staan zowel de rotatie- en de verdraaiingsas niet haaks op de slag-as.

De armvleugel zou de slagbeweging en een verdraaiingsbeweging moeten uitvoeren in het schoudergewricht. Met behulp van rubberbanden tussen de arm- en handvleugel wordt de laatste een beetje naar beneden getrokken (aëro-elastische vleugel).

Dit is ook al een eerdere suggestie voor een door gewrichten verbonden slagvleugel met een aanvullende slagbeweging van de handvleugel.

De knik van het profiel tussen de arm- en de handvleugel ligt op ongeveer hetzelfde punt als bij de bovengenoemde membraanvleugel van P.H. Spencer.

3.3 Verdraaiing door het kantelen
van de voorlijst van de vleugel

Het kenmerk van de ;verstelbare propeller van John Drake zit in het verdraaien van de voorligger en niet de achterlijst van de slagvleugel. (Engeland, testvluchten 1978)

3.4 Met getrapte verdraaiing

Een benaderde vleugel­verdraaiing kan ook worden gerealiseerd door een stapsgewijze rotatie van relatief niet ver­draaibare vleugelsecties.

Het model EV4 (1979) werd ook zo uitgerust met zo'n soort rotatie van de enkele vleugelsecties. Echter in dit geval werden de rotaties bestuurd door de vleugelaandrijving.

Een typisch voorbeeld van een passieve stapsgewijs verdraaide vleugel is de Stapverdraaier met zijn foamvleugels (Depron) van Karel Pustka (2004). De ontstane ruimte tussen de vleugelsecties wordt afgedekt met een membraan.

3.5 Verdraaiing door de
slagbeweging van de hulpligger

Hier wordt de vleugelverdraaiing gerealiseerd door een in faseverdraaide slagbeweging van de hoofd- en de hulpligger (ontwikkeld door Emile Räuber, Frankrijk 1909).

Deze technologie is ook gebruikt bij de EV2 (1976). In de bovenstaande afbeelding is de afzonderlijke aandrijving van de twee liggers te zien.

De functie is overeenkomstig met die van een libellevleugel. Ook hierbij bepaalt de faseverschuiving van de slagbeweging van de hoofd- en de hulpligger de grootte van de vleugelverdraaiing.

Bovendien werkt de libelle klaarblijkelijk met een ligger aan de vleugelneus. Zijn faseveschoven slagbeweging opzichte van de beide andere liggers beïnvloedt de profielwelving.

De steunen c.q. verbindingen van de drie liggers aan het lichaam zijn hiet duidelijk als donkere, gedeeltelijk zich kruisende structuren op de rug van de libelle te herkennen (zie ook de externe link 10).

3.6 Servogestuurde vleugelverdraaiing

Dat is een vliegwaardige en natuurgetrouwe kopie van een vliegende saurier- eines Quetzalcoatlus Northropi (QN).
De aërodynamica van deze ornithopter zou volkomen overeen moeten komen met het origineel. Het idee daarvoor stamt van het creatieve genie Dr. Paul MacCready (USA 1985).

De vleugelverdraaiing wordt door servo's gestuurd en de vliegpositie wordt door heen- en weergaande bewegingen van de vleugeltips en door knikbewegingen van de kop gestabiliseerd.

Details, ook voor het werkingsprincipe, zie het krantenartikel (in het Duits) over het project van Paul MacCready en verdere informatie via externe link 11.

Ook bij de Smartbird van de fa. Festo wordt de verdraaiïng van elke vleugelzijde met een servo gestuurd (2011). In ieder geval wordt daarmee slechts de verdraaiïng in het handvleugelgebied beïnvloed. Het binnenste armvleugelgebied is niet verdraaibaar. Het draagvermogen van deze slagvleugel is daarom relatief laag in verhouding tot het vleugel oppervlak.

De spanwijdte is 2 meter en de gewicht 0,450 kg, oppervlakbelasting 9 N/sqm.

De bekleding bestaat uit een 2 mm dikke, geëxtrudeerde Polyurethaanschuimplaat, die die als een vleugelprofiel wordt gebogen (de bij het model gebruikte vleugel- doorsnede is anders dan de hier afgebeelde vleugelribben).

Boven- en onderkant van de bespanning zijn in het bereik van de handvleugel achter niet met elkaar verbonden. Ze kunnen daarom langs elkaar heen glijden en de vleugel de verdraaiïng rimpelloos volgen (zie dwarsverdraaiïngs- principe bij de volgende doorsnede).

Bij de Smartbird valt op, dat met het vleugelmechanisme de beweging tussen arm- en handvleugel wordt nagebootst. De hiernaast getoonde afbeeldingen tonen een principiële overeenkomst met het slagvleugelmechanisme gedurende de opgaande- en de neergaande slag. U kunt hiervan ook nog een animatie (2,1 MB) bekijken (voor meer details over het SmartBird-project zie externe link 12).

3.7 Verschuivingsprincipe

In dit geval gaat het om een aëro-elastische verdraaibare geprofileerde slagvleugel volgens het ;Shearflex principe. Dit systeem maakt het mogelijk een relatief niet-elastische bekleding toe te passen. Als de verdraaiing langs de vleugel constant is en niet te groot dan blijven de contouren van het vleugelprofiel erg goed.

Hier wordt de verdraaiingselasticiteit hoofdzakelijk bepaald door de voorlijst van de vleugel. Dit systeem is ontworpen door Professor James D. DeLaurier en Jeremy M. Harris, Canada 1994.

De ornithopter met zijn uit drie delen bestaande slagvleugel is ook erg interessant. Jeremy M. Harris 1977 heeft het aangemeld als patent.

Op de hiernaaststaande foto zijn James D. DeLaurier en Jeremy M. Harris met hun 3-meter radiografisch bestuurde en van een verbrandingsmotor voorziene model, agfebeeld. Een langere vlucht werd in 1991 gerealiseerd. Hiervan bestaat een video-opname (zie externe link 13).

Hier wordt een vergelijkbare replica van Horst Händler (1994) afgebeeld, uitgevoerd met een elektrisch aandrijfsysteem.

3.8 Flappende vleugeltips

Bij de Snowbird heeft de hoofdligger van de vleugel geen slagscharnier. In plaats daarvan is de ligger elastisch en realiseert bij een vertikale slagbeweging met de vleugeltips de gewenste vleugelbeweging. De vleugels verdraaien dan passief door de aerodynamische krachten.

Het principe van een met draden aangedreven vleugelslag heeft in het bijzonder voor mandragende ornithopters duidelijke voordelen:

• uitvalzekere vleugelpositie voor de glijvlucht
• geschikt voor grote spanwijdten met overeenkomstig lage geïnduceerde weerstand
• slechts weinig bewegende delen

Todd Reichert heeft de Snowbird nadrukkelijk meeontwikkeld en heeft er ook succesvol mee gevlogen (Canada 2010).
Voor meer informatie ten aanzien van de mens-aangedreven ornithopter (HPO) project SnowBird zie externe link 14.

3.9 Schilvleugel

Een schilvleugel met actieve vleugelverdraaiing door een door de aandrijving bestuurde liggerrotatie (ontwikkeld door Albert Kempf, Frankrijk 1998, zie externe link 15).

De bovenzijde van de vleugel, die van hardschuim is vervaardigd, is aan de bovenzijde en aan de onderzijde gewelfd en vormt op die manier een vleugelprofiel.

Een lange dunne plaat met een gewelfde doorsnede kan eenvoudig worden verdraaid en gevouwen. Ook de hiervoor genoemde shearflexvleugel past deze eigenschap toe. Deze slagvleugelcatagorie wordt een voorgevormde vleugel genoemd.

De zo uitgeruste Truefly die wordt getoond in de bijgaande afbeelding heeft een prachtig vliegbeeld. Het was ook de eerste ornithopter met voorgevormde profielslagvleugels die een steile klimkarakteristiek liet zien.