Titelbild

Hoe Ornithopters Vliegen

Flagge flag vlag pavillon

Bewegingsovergang bij ornithopters

Inhoud:

  1. Omschakeling naar vliegen met lift
  2. Omschakeling naar vliegen met stuwkracht
  3. Conclusie
  4. Externe links naar het thema: Bewegingsovergang van vogels
Silhouetten van vliegende vogels
Vergelijking van enkele vleugel­vormen

Bij ornithopters zijn er in hoofdzaak twee manieren van vliegen, namelijk Vliegen met lift en Vliegen met stuwkracht. Hierbij zijn er verschillende varianten mogelijk bij beide manieren. Uitgaand van de resultaten van het onderzoek naar de vliegwijzen van vogels zullen we nu proberen de omstandigheden waarbij een vogel van vliegwijze wisselt te bepalen.In ieder geval worden enkele variaties ten aanzien van beide vluchttypen behandeld.

Een verandering van vliegwijze, bijvoorbeeld de bidvlucht en de kruisvlucht, is bijna vergelijkbaar met de verandering tussen de manier waarmee een helikopter vliegt en die waarmee een motorzwever vliegt. Alleen tiltrotorvliegtuigen (b.v. tiltrotor V-22 Osprey) maken gebruik van dit soort technieken.

In de volgende specificatie wordt van een doorsnee vliegtuig uitgegaan. Bij een slagvleugelvlucht is alles onderling van elkaar afhankelijk. Daarbij geldt dat de grootte van de beschreven waarden altijd relatief zijn en zijn overeenkomstige oplossingen binnen het behandelde gebied zeker mogelijk.

toets

1. Omschakeling naar vliegen met lift

Als er uitsluitend met stuwkracht wordt gevlogen dan wordt de gewichtskracht van het vliegtuig alleen gebalanceerd door de opwaarts gerichte stuwkracht. Laten we aannemen dat het vliegtuig al is opgestegen en het slagvlak van de vleugel die een hoek maakt van ongeveer 60° op de haakse vlak ten opzichte van op de vliegrichting. De slagfrequentie en de vleugelverdraaiing zijn dan nog steeds erg hoog. Een horizontale beweging van het vliegtuig is nu ingezet, maar wordt nog steeds als een helikopter gebalanceerd op de stuwstraal.

Samen met de horizontale vliegbeweging wordt de mogelijkheid om delen van de stuwkracht door een liftkracht die hier vertikaal opstaat, wordt nu geboden door een ornithopter. Dit verloopt anders dan bij een helikopter. Speciaal het vleugelgebied vlak bij de romp met zijn kleine hoekverandering met betrekking tot de krachtverplaatsing is hiervoor geëigend. De opwaarts gerichte opwekking van stuwkracht kan daardoor worden verminderd en kan meer naar voren gericht worden door het verder verdraaien van het slagvlak. Als gevolg hiervan zal de vliegsnelheid toenemen waarvan de opwekking van stuwkracht en de lift tegelijkertijd kunnen profiteren.

Als het vliegtuig voldoende gestroomlijnd is zal het moment aanbreken dat alleen de direct opgewekte lift toereikend is om het vliegtuig te dragen. Alle stuwkracht kan dan recht naar voren worden gericht en samen met de vleugelverdraaiing aanzienlijk worden verminderd. Het vliegtuig vliegt nu volledig met lift hetgeen zeer energiebesparend is.

Maar in de praktijk is de omschakeling naar vliegen met lift niet zo eenvoudig als het op het eerste gezicht lijkt. Lift en stuwkracht moeten op hetzelfde moment zeer hoge waarden gehaald hebben ongeacht de lage vliegsnelheid. Het is echter bij vogels mogelijk om van vliegwijze te veranderen met behulp van reserves in de liftcoëfficïent bij de betreffende probleemgebieden van de slagvleugel.

Reserves van de liftcoëfficïent kunnen worden bereikt door het creëren van een grote vleugelkoorde en door het spreiden van de veren (vergroten van het vleugeloppervlak). Ook kleppen aan- de voor en achterzijde en slots zijn erg effectief. Veranderlijke en sterk gewelfde vleugelprofielen die een goed afgeronde voorrand hebben, verhogen en versterken het werkgebied van het vleugelprofiel. Met snelle vleugelbewegingen kan de lift worden verplaatst naar minder kritieke overtrekgebieden.

Gedurende de kruisvlucht kunnen de reserves worden aangewend voor aanpassing van de stuwkracht (klimvlucht), extra vlieggewicht en vliegsnelheid. Tijdens de snelle kruisvlucht vormen ze vaak een belemmering. Normaal gesproken verhogen ze de weerstand. Als echter de manier van vliegen wordt veranderd worden de reserves volledig benut.

toets

1.1 Wanneer de lift hoofdzakelijk wordt opgewekt
in het vleugeldeel vlak bij de romp

Silhouette van een vliegende eend

Als wordt gevlogen met stuwkracht gedurende de op- en neergaande slag dan worden de dwarskrachten in de buitenste vleugelsectie sterk naar voren gericht als gevolg van de hoge slagfrequentie. Daarom kan dit vleugeldeel nauwelijks een bidrage leveren aan de totale lift. Het vliegtuig is echter in staat alle benodigde lift bijna geheel met de binnenste vleugelsectie op wekken. Dit wordt gerealiseerd door een vleugel met en grote koorde en een sterke welving van het vleugelprofiel vlak bij de romp en vindt de nadering op een nauwelijks merkbare wijze plaats.

Als wordt gevlogen met stuwkracht gedurende de op- en neergaande slag dan worden de dwarskrachten in de buitenste vleugelsectie sterk naar voren gericht als gevolg van de hoge slagfrequentie. Daarom kan dit vleugeldeel nauwelijks een bidrage leveren aan de totale lift. Het vliegtuig is echter in staat alle benodigde lift bijna geheel met de binnenste vleugelsectie op wekken. Dit wordt gerealiseerd door een vleugel met en grote koorde en een sterke welving van het vleugelprofiel vlak bij de romp en vindt de nadering op een nauwelijks merkbare wijze plaats (zie het tweede hoofdstuk). Dan wordt de verandering in de manier van vliegen duidelijk door de plotselinge afname van de slagfrequentie, vleugelverdraaiing en aandrijfvermogen.

Silhouette van een vliegende duif

Tijdens het consequent vliegen met lift wordt gedurende de op- en neergaande slag heel veel lift opgewekt in het gebied dicht bij de romp. Dit is o.a. het geval bij de eend en de duif. De vleugelverdraaiing wordt kleiner, zodat bij de opgaande slag in het handbereik de dwarskracht naar beneden wijst. Dat is goed voor de levering van stuwkracht, maar niet voor de lift (zie vliegprincipe, vectordiagram). De slagfrequentie blijft relatief hoog.
Daardoor wordt de dwarskracht in het handvleugelgebied sterk nar voren gericht levert dan vooral aandrijfkracht. Bovendien is wegens de spitse omtrek de dwarskracht in de buitenste gedeelte van de vleugeldoorsnede in het algemeen niet erg groot. De totale lift gedurende een hele slagperiode is dus binnen het handbereik gering.

Wegens de kleine dwarskracht in het bereik van de vleugeltip moet derhalve voor voldoende levering van aandrijfkracht de slagfrequentie hoger zijn dan bij de wissel-varianten in het volgende stuk, echter niet noodzakelijkerwijs het aandrijfvermogen.

Met een dergelijke liftverdeling is het gemiddelde draaimoment bij de slag-as laag in relatie tot de vleugelspanwijdte. tevens is de vleugelvorm vaak puntvormig. Inderdaad wordt de verdeling van de dwarskrachten langs de vleugelspanwijdte getoond in het vliegprincipe, diagram 4, maar met een aanzienlijk grotere verschuiving t.o.v vleugelkoorde van de tijdens de opgaande slag opgewekte lift. Om een gemiddelde liftopbrengst te realiseren is in dit geval noodzakelijk de invalshoek van de vleugel bij de vleugelwortel te vergroten. Dit is noodzakelijk of alleen tijdens opgaande slag of tijdens de gehele vermogensvlucht. Dit laatste wordt eenvoudig beïnvloed door een marginale uitrekking van het gehele vliegtuig. Echter de reserves van het bereik van de liftcoëfficïent aan de vleugelwortel moet voldoende gedimensioneerd zijn.

Met zijn grote vleugelkoorde en gewelfde vleugelprofiel bij de vleugelwortel, alsmede de grote invalshoek van de romp en een beperkte vleugelverdraaiing maakte het vliegen van de EV1 op deze manier mogelijk.

toets

1.2 Als er lift wordt opgewekt langs de gehele
spanwijdte

Silhouette van een vliegende zwarte ooievaar

Als de direct opgewekte lift alleen voldoende is om het vliegtuig te dragen wanneer alleen de gehele vleugel beschikbaar is voor de opwekking dan moet er een relatief langzame slagbeweging plaatsvinden bij het vliegen met lift. De stuwkracht is in dat geval niet voldoende voor het horizontale starten.

Om deze horde te nemen moet eerst getracht worden om met veel stuwkracht een zo hoog mogelijke horizontale snelheid te bereiken. Met veel vleugelverdraaiing en een krachtige vleugelslag is het behalen van een hoge vliegsnelheid mogelijk. Tegelijkertijd kan ook een beetje lift worden opgewekt (zie figuur 1, opstijgen).

Als dan een voldoende vliegsnelheid is bereikt dan moeten de vleugels vrij abrupt omschakelen naar een lagere slagfrequentie en vleugelverdraaiing. Nu wekken ze in feite de volledige liftkracht op en beduidend minder stuwkracht (zie figuur 2, kruisvlucht). De stuwkracht moet nu slechts voldoende zijn om te kunnen blijven vliegen met lift. Dit wordt heel duidelijk weergegeven in het vluchtbeeld middels een serie actiebeelden van vogels bij een bewegingsovergang bij dit punt.

Met grote liftcoëfficiëntreserves langs de gehele vleugel en en goede glijhoek lukt het vliegen met lift vrijwel direct na een sprongstart vanuit staande positie bij kopwind.

Silhouette van een vliegende buizerd

Tijdens het vliegen met lift is het draaimoment bij de slag-as relatief in de buitenste vleugelsectie ook hoog tijdens liftopwekking (ooievaar, buizerd). Op het zelfde moment is een hoge slagfrequentie voor het opweken van stuwkracht niet nodig door de hoge dwarskracht in de buitenste vleugelsectie. Daarom behoeft het aandrijfvermogen niet hoger te zijn dan voor de in het vorige hoofdstuk beschreven manier van vliegen.

Voor deze liftsamenstelling zal het gemiddelde moment aan de slagas normaal gesproken hoog zijn in relatie tot de vleugelspanwijdte en tevens zal de vleugelvorm bijna altijd rechthoekig zijn (zie vliegprincipe, diagram 1 en de modellen EV4 tot en met EV8).

Silhouette van een vliegende meeuw

Alleen bij zeer hoge vleugelslankheid (zeemeeuw) is er door de liftverdeling langs de spanwijdte een relatief laag moment. In dit geval ziet men vaak puntvormige vleugelvormen (zie vliegprincipe, diagram 2).

Maar ook in dit geval kan door de grote vleugellengte de lift en ook stuwkracht in de buitenste vleugelsecties worden opgewekt. Daarbij is de absolute waarde van het moment hoog terwijl de slagfrequentie dat niet noodzakelijkerwijs hoeft te zijn.

toets

1.3 Bij lage Reynoldsgetallen

Silhouette van een vliegende spreeuw

Als het totale gewicht van het vliegtuig erg laag is dan wordt er ontegenzeggelijk gevlogen met een overeenkomstig laag Reynoldsgetal. De vliegtuig weerstand is dan ongeveer net zo groot als de gewichtskracht. Een glijvlucht met zijn gebruikelijke glijhoek kan op deze manier nauwelijks worden gerealiseerd (spreeuw).

Onder deze omstandigheden wordt de liftopwekking een tweede taak. Maar het is duidelijk dat alleen al de neergaande slag van de vleugel voldoende is voor het opwekken van lift en stuwkracht. Hierdoor gebruiken kleine vogels heel verschillende vleugelvormen bij de op- en neergaande slag. Sommige trekken bijvoorbeeld hun vleugels bijna volledig in gedurende de opgaande slag (for the corresponding vortex image, zie externe link 2, Fig. 1. Vortex-ring gait). Met zoveel toegepaste geavanceerdheid maakt het dit soort vliegen mogelijk maar technisch is het zeer moeilijk dit na te maken.

Als het nodig is kan de lift ook worden opgewekt tijdens de opgaande slag waarbij bijvoorbeeld negatieve- of nullift wordt geleverd. Met een klein beetje voorwaartse snelheid, een relatief hoge slagfrequentie en een overeenkomstig vleugelverdraaiing en ombuiging lijkt dit mogelijk te zijn. Tevens kunnen grote vleugelslaghoeken helpen om wat lift op te wekken. Maar de totale direct opgewekte lift wordt te klein als de bij de opslag opgewekte stuwkracht te groot wordt en dat leidt tot een voorwaartse vlucht met alleen stuwkracht. Daarbij is de lucht waardoor het alleen met stuwkracht heen zwemt, zoals een vis in het water, een beetje opwaarts gericht. Maar men kan aannemen dat de grote vliegende modellen van Erich von Holst - met spanwijdtes tot 2,45 m [96 in] - als gevolg van hun lage Reynoldsgetallen op deze manier vlogen.

Als vliegen met lift al mogelijk is bij kleine Reynoldsgetallen dan kan dit alleen met behulp van veel stuwkracht. Men kan dit beschouwen als vliegen tegen de weerstand in. Een bewegingsovergang zal, als gevolg van het niveau van energiebeperking bij deze manier van vliegen, in dit vliegbeeld nauwelijks te herkennen zijn. Ook zijn berekeningen m.b.t. slagvleugelvluchten, c.q. duidelijke uitspraken t.a.v de invloed van lage Reynoldsgetallen hierop, niet voorhanden.

Silhouette van een vliegende gierzwaluw

Vliegen met een laag Reynoldsgetal met de respectievelijke hoge weerstand, hoewel wijd verspreidt in de natuur en ornithoptermodelbouw, kan worden beschouwd als een spaarzaam beschreven speciaal geval. Daarbij is vliegen met lift nogal uitzonderlijk (zwaluw, gierzwaluw). In het algemeen zal het vliegtuig een goede glijhoek moten hebben voor de laatst genoemde manier van vliegen (Referenties R. Demoll ).

De constructieve overgang naar een configuratie voor het vliegen met liftopwekking in het gebied vlak bij de romp (hoofdstuk 1.1) is vloeiend, maar dat geldt niet voor de overgang naar het vliegen zoals dat hier behandeld is.

toets

1.4 Zonder liftcoëfficiëntreserve

Als er geen liftreservecoëfficiënt aanwezig is, met name als er gevlogen wordt met lage Reynoldsgetallen , dan  is gelijktijdige liftopwekking aan de vleugel en  daarbij het wisselen naar een andere vliegwijze nauwelijks mogelijk als er met stuwkracht wordt gevlogen. Daarom is het beter om direct te beginnen met vliegen met lift. Echter starten lukt dan alleen als er een sterke kopwind, een lage startbaan (zwaan,albatros) of voldoende hoogte beschikbaar is. De ornithoptermodellen EV4 tot en met EV8 zijn hier voorbeelden van.

toets

2. Omschakeling naar vliegen met stuwkracht

Ook de omgekeerde omschakeling naar vliegen met stuwkracht is niet zo eenvoudig. Zoals de volgende overwegingen aantonen moet het wisselen van de aandrijfvorm binnen een relatief groot bereik mogelijk zijn.

Tijdens het langzame vliegen zal de lift afnemen met het kwadraat van de vliegsnelheid. om slechts 10% kracht toe te voegen moet deze tijdens de kruisvlucht door middel van aandrijving meer dan verviervoudigd worden (zie figuur 2, kruisvlucht en de volgende). Ongeacht de liftcoëfficiëntreserves kan het nauwelijks mogelijk zijn de getoonde krachtenbalans te realiseren.

Ten eerste worden alle reserves van de liftcoëfficïent aangesproken tijdens de langzame vlucht. Verder is de slagfrequentie duidelijk toegenomen. Daarvoor moeten de dwarskrachten en de stuwkracht aan de buitenste delen van het vleugelgebied ten slotte worden verhoogd.

Maar door het verhogen van snelheid van de slagfrequentie zal de dwarskracht m.n. in het buitenste deel van het vleugelgebied verder toenemen in de richting van de stuwkracht. Dit werkt alleen ten koste van de liftopwekking. Verder wordt de lift lager in het gebied rond de vleugelwortel als gevolg van het afnemen de toestromende lucht. Daarom is de totale lift niet constant in de getoonde grootte (vergelijk kracht, met name de stuwkracht met (figuur 2, kruisvlucht).

Verder moet voor de nieuwe richting van de stuwkracht het slagvlak weggedraaid worden uit de rechte hoek. In verband met de utrekking van de romp neemt de parasitaire weerstand toe die daardoor de vraag naar stuwkracht doet toenemen. Een deel van de toegenomen stuwkracht is hier voor benodigd.

Het afgebeelde krachtenevenwicht is niet constant vooral wegens onvoldoende opwekking van lift. Daarom moet deze vliegsituatie worden overgeslagen. Het is eenvoudigweg onmogelijk om, op hetzelfde moment, een grote hoeveelheid lift en stuwkracht op te wekken als gevolg van de beperkte gegevens van de vleugelprofielen.

Drie vliegsituaties tijdens de bewegingsovergang van een vogel

Figuur 7:

Bewegingsovergang tijden het vliegen
Hierbij wordt de vliegsituatie 2 tijdens de overgang overgeslagen.

Als gevolg van al deze effecten zal de overgang naar vliegen met stuwkracht met een zekere abruptheid in stappen plaatshebben. Dan moet de stuwkracht zichzelf bijna in evenwicht brengen met de gewichtskracht (zoals bijvoorbeeld in het rechter plaatje). Deze abrupte omschakeling was ook ontdekt bij de tipwervels van vogels door Jeremy Rayner (Engeland, zie Referenties Nachtigall W. 1986, BIONA-report 5) en Tyson Hydrick (USA 2002, zie externe link 1).

toets

3. Conclusie

Tijdens de slagvlucht kunnen verschillende combinaties van krachten worden toegepast. Het vliegtuig moet echter wel kunnen voldoen aan een verscheidenheid van eisen. Of één en hetzelfde vliegtuig alle combinaties van krachten ook toepast is niet bekend, zelfs niet van vogels met hun erg grote variatie in mogelijke vleugelinstellingen.

Animatie: Meeuw tijdens de vlucht
Meeuw in een vlagerige wind
en met veranderende vleugelslagamplitude.
in grote afmeting (0.5 MB)

Daar de vleugels van ornithopters slechts een weinig kunnen worden aangepast gedurende de vlucht moet men de wijze van vliegen al voor het bouwen bepalen. Een bewegingsovergang bij ornithopters is tot op heden nog een uitzondering.