Flagge flag vlag pavillon

Het handboek

1. Handboek

(handboek Wie Ornithopter fliegen in het Duits)

Titelblad van het handboek

Hoe wekt een ornithopter, ondanks de wisselende slagrichting, trekkracht en liftkracht? In het handboek wordt het antwoord, gebaseerd op bekende onderzoeksresultaten, geleverd.

Naast de aerodynamische eigenschappen van de op- en neergaande slag komt ook de dynamiek van de slagvleugel aan de orde. Daartoe worden de benodigde vergelijkingen en een rekenschema aangereikt. Deze bevatten de bepaling van het krachtenevenwicht voor een staionaire vlucht en de voor de modelbouw de zo belangrijke beschrijving van de benodigde vleugelverdraaiïng.

Met een zelf te maken rekenprogramma zijn de uitwerkingen van de verscheidene modelpameters van de prestatiegegevens van een ornithopter te bepalen. Ook optimalisaties zijn op meerdere manieren mogelijk. Met dergelijke getalswaarden is men voor de beoordeling van de slagvlucht niet langer meer afhankelijk van aannames en mondelinge beschrijvingen.

Bovendien zijn in het handboek de uitkomsten van een rekenmodel-voorbeeld weergegeven (overeenkomstig het model EV7). Een hele reeks van variaties van dit rekenemodel zijn in afzonderlijke hoofdstukken uitgelegd en de veranderingen in diagrammen vastgelegd. Ook zonder eigen berekeningen kan men daaruit interessante verbanden binnen de slagvleugeltechniek herkennen en op waarde schatten. Dat alles is met nuttige aanwijzingen uit de ornithopter-modelpraktijk verrijkt.

Wervelsysteem langs het traject
Wervelsysteem achter een ornithopter

Het ornithopterthema valt ook binnen het vakgebied van de Bionica. Er wordt daarom geprobeerd, door het begrijpen van de verschijningsprincipes van de vleugel, vliegwaardige ornithopters te ontwikkelen.

U kunt het handboek (in het Duits) en de daarbij behorende foto's downloaden.

  • PDF 3.3 MB
  • PDF 5.9 MB
  • PDF 9.2 MB

Het handboek is door Jean-Louis Solignac in het Frans vertaald. Met zijn vakkennis als aerodynamicus en zijn ervaring heeft hij veel aan de verbetering van het handboek bijgedragen. Zijn vertaling vindt U op de Franse pagina.

Jean-Louis Solignac, Maître de Recherche, était Chef de Division Adjoint Aérodynamique Fondamentale de la Direction Aérodynamique de l'O.N.E.R.A. (Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales).

The photos of the handbook

toets

2. Slagvleugelberekeningen
onder aanname van quasi-stationaire omstandigheden

De de vergelijkingen in het handboek worden in verschillende Orni- rekenprogramma's toegepast. daaraan ligt het navolgende rekenprogramma ten grondslag.

Daarbij wordt de slagvleugel in gedachten eerst in stroken met een zeer kleine spanwijdte verdeeld. Dan berekent men voor elk van deze vleugelsecties de aërodynamische krachten onder stationaire c.q. constante aanstroomvoorwaarden. Het optellen van al deze krachtjes levert de totale aërodynamische kracht op voor de hele spanwijdte.

Krachten op een doorsnede van de slagvleugel
Opbouw van de krachten

Op die manier krijgt men de totale lift- en trekkracht van de slagvleugel ten aanzien van en bepaald tijdstip tijdens de slagperiode. Ook is de daarbij behorende vleugelverdraaiing, de profiel- en ge´nduceerde weerstand gedurende de loop van dit rekenschema te bepalen.

Reken ondersteunende filters
Rekenverdelingen

Deze handeling wordt met gelijkmatige tussenpozen van de vleugelslagbeweging herhaald. Daarbij baseert men zich meestal op de veranderde waarden zoals bijvoorbeeld de circulatieverdeling, de aanstromingsverhoudingen en de V-stelling van de vleugel. Gelijktijdig gaat met uit van stationaire omstandigheden. Er wordt hierbij aangenomen dat de stroming zich binnen de tijdstap van de berekening niet veranderd. Met niet-stationaire stromingen wordt geen rekening gehouden.

Op deze manier, dus door het aan elkaar rijgen van van de verschillende stationaire toestanden, wordt het temporele verloop van de krachten onder quasi-stationaire voorwaarden bepaald.

De kracht van een gehele slagbeweging krijgt men door het optellen van het krachtverloop over de beschouwde tijdspanne. De op- en neergaande slag van de vleugel wordt afhankelijk van de toepassing afzonderlijk beschouwd. Ten slotte leidt het samennemen van de krachten van de op- en de neergaande slag tot de totaalkrachten gedurende de gehele slagperiode.

slagfrequentie/gewicht van de vogels
Slagfrequentie en
het gewicht van vogels
van Referenties Heinrich Hertel

Volgens Referenties Erich von Holst leidt de quasi-stationaire methode alleen maar bij een hoge voorwaartse snelheid met relatief lage slagfrequenties tot bruikbare resultaten (grote vogels). Anderzijds worden de invloeden door de niet-stationaire aanstroomverhoudingen te groot. Nieuwe onderzoeken bevestigen deze beperking, zoals bijvoorbeeld volgt uit de analyse van M. Neef.

toets

3. Onderzoeksresultaat

Dr.-Ing. Matthias F. Neef heeft in zijn dissertatie Analyse des Schlagfluges durch numerische Strömungsberechnung de niet-staionaire stroming rond een bewegende vleugel onderzocht. Daarbij lukte het hem een soortgelijk wervelsysteem, als hierboven afgebeeld, aan te tonen. Zijn afbeelding is echter veelnauwkeuriger en gedetailleerder.

Isolijnen tijdens de slagvlucht
Isolijnen van de circulatie langs een vliegbaan

De dissertatie bevat een overzicht van een slagvlucht en nog meer zeer interessante afbeeldingen (zie externe link 1en 2).

toets

4. De randwervels van de slagvleugel

De boven afgebeelde isolijnen van de circulatie van een slagvleugel kan men zich ook als losse werveldraden voorstellen.

Naast elkaar liggende werveldraden met dezelfde circulatierichting voegen zich in de afgaande stroming van de vleugel in hun gemeenschappelijke centrum samen tot één enkele wervel.

Randwervels langs het traject
Randwervels van de slagvleugel

Op deze manier groeit het grootste deel van de werveldraden aan één vleugelzijde aan tot een gemeenschappelijke randwervel. Zijn aangrijpingspunt aan de achterzijde van de slagvleugel beweegt zich gedurende een slagperiode heen en weer, in het bijzonder tijdens de opgaande slag. De achter de slagvleugel hangende wervelband toont dus in het bovenaanzicht in regelmatige afstanden zijdelingse insnoeringen.

Ook bij vogels tijdens de trekvlucht (Vliegen met lift) wordt de zijdelingse beweging van het aangrijpngspunt van de wervelaangrijpingspunten aan de achterkant van de vleugels al vastgesteld (zie externe link 3, Fig. 1). De daarbij gekozen beschrijving van de vluchtwijze kan men door continue wervelverloop vertalen. Deze staat tegenover de ringwervelbeweging tijdens Vliegen met stuwkracht (zie de beschrijving van de verschillende soorten vluchten).

Vleugelrandwervels van een vogel
Vleugelrandwervel en stuwstraal
van een vogel in de continue wervelbeweging zoals bijv. tijdens de kruisvlucht

Wanneer men zich de randwervels in de hiernaast staande afbeelding ruimtelijk voorstelt, dan ontstaat er een verrassend beeld.

Het wervelaangrijpngspunt van een vleugelkant verloopt gedurend een slagperiode niet alleen aan de achterzijde van de vleugel heen en weer. Ze volgt ook de slagbeweging. Beide bewegingen tezamen veroorzaken, in de vluchtring gezien, een ietwat ringvormige baan. Betrekt men nu ook nog de voorwaarts gerichte beweging van de slagvleuegls hierin, dan herkent men de schroefvormige beeld van de beide naar achteren ontstane vleugelrandwervels.

Ook de randwervels van een propeller zijn schroefvormig opgebouwd (zie externe link 4). Ze omhullen de aandrijfstraal en zijn een wezenlijk bestanddeel ervan.in tegenstelling tot de propeller zijn bij de slagvleugels de windingen van de randwervels echter uit elkaar getrokken. In het 3-dimensionale aanzicht van dit wervelbeeld herkent men daarom aan iedere vleugelkant een aandrijfstraal.

Een met dit principe overeenkomstig wervelbeeld moet ook bij ornithopters tijdens de trekvluvht worden nagestreeft. For more information, please see the article Arrangements of wing tip vortices on flapping wings (Engelse versie 4.0, PDF 0.5 MB).

toets

5. De formatievlucht van vogels

zogwindverdelingen tijdens de slagvlucht
Zogwindverdelingen bij de
vleugels van een ornithopter
tijdens de kruisvlucht

In V-vormig gerangschikte vliegformaties van vogels treedt bij separate individuen een meetbare vermogens­besparing op. Deze komt in het bijzonder door de aerodynamische invloeden tot stand. Met behulp van de slagvleugeltheorie van een ornithopter kunnen conclusies t.a.v. de manier van energiebesparing worden getrokken.

In samenhang met zijn lift veroorzaakt de naar voren vliegende vogel aan zijn beide vleugeltippen automatisch een vleugelrandwervel. Voor hen betekent dit energ ie­verlies. Dit is m.n. voor vogels met een hoge vleugelbelasting en korte spitse vleugelvormen relatief hoog. De achteropkomende vogels kunnen echter proberen, de energie van de beide randwervels voor het verminderen van hun vlieginspanning te benutten.

formatievlucht van vogels
Weerstandsafname tijdens de formatievlucht van vogels

Bekend is de hypothese dat de achteropkomende vogel een stijgwindveld van zijn voorganger benut (zie externe link 5). Deze wordt aan de naar achteren gerichte randwervel van de vliegformatie onttrokken. Deze stijgwind maakt het mogelijk voor de achteropkomende vogel zijn eigen vermogen te vergroten, zonder zelf toegevoegde arbeid te verrichten. Het is voor hen echter efficiënter de draai-impuls van de aankomende randwervel te gebruiken om zijn eigen randwervel te veroorzaken (zie de hiernaaststaande afbeelding en externe link 6).

Formatievlucht van vogels, van Titus Tscharntke
Formatievlucht van vogels
Fotograaf Titus Tscharntke

Het probleem van de achterop komende vogel is de optimale instelling van alle afstanden in de driedimensionale ruimte achter de voor hun vliegende vogel. Deze moet proberen de afstanden t.o.v. de klapwiekende vleugel van zijn voorganger zo aan te passen dat het juiste werveldeel van de voorganger op het juiste moment en op de optimale plaats hem treft. Hij kan de beste vliegpositie zeker voelen maar moet daarbij echter toch ook compromissen sluiten. In de theorie van de formatievlucht van vogels zijn er nog veel onbeantwoorde vragen. Meer daarover in het Handboek, bijlage E (zie opstijgen) and the article Arrangements of wing tip vortices on flapping wings (Engelse versie 4.0, PDF 0.5 MB).

toets

Verder naar de Rekenprogramma's