Ornitóptero

Un ornitóptero (del griego ornis, ornith- 'pájaro' y pteron 'ala') es un avión que vuela batiendo sus alas. Los diseñadores buscaron imitar el aleteo de las alas de pájaros, murciélagos e insectos. Aunque las máquinas pueden diferir en forma, generalmente se construyen en la misma escala que los animales voladores. También se han construido ornitópteros tripulados más grandes y algunos han tenido éxito. Los ornitópteros tripulados generalmente están propulsados por motores o por el piloto.

Historia temprana

Algunos de los primeros intentos de vuelo con tripulación pueden haber tenido la intención de lograr un vuelo con alas batientes, pero probablemente solo se logró un planeo. Incluyen los supuestos vuelos del monje católico Eilmer de Malmesbury del siglo XI (registrado en el siglo XII) y el poeta del siglo IX Abbas Ibn Firnas (registrado en el siglo XVII). Roger Bacon, escribiendo en 1260, también fue uno de los primeros en considerar un medio tecnológico de vuelo. En 1485, Leonardo da Vinci comenzó a estudiar el vuelo de las aves. Comprendió que los humanos son demasiado pesados y no lo suficientemente fuertes como para volar usando alas simplemente unidas a los brazos. Por lo tanto, esbozó un dispositivo en el que el aviador se acuesta sobre una tabla y mueve dos grandes alas membranosas usando palancas manuales, pedales y un sistema de poleas.

En 1841, un herrero kalfa (oficial), Manojlo, que "llegó a Belgrado desde Vojvodina", intentó volar con un dispositivo descrito como un ornitóptero (" batir las alas como las de un pájaro"). Las autoridades le negaron el permiso para despegar del campanario de la catedral de San Miguel, subió clandestinamente a la azotea de Dumrukhana (la oficina central de impuestos de importación) y despegó, aterrizando en un montón de nieve y sobreviviendo.

Los primeros ornitópteros capaces de volar se construyeron en Francia. Jobert en 1871 usó una banda elástica para impulsar un pequeño modelo de pájaro. Alphonse Pénaud, Abel Hureau de Villeneuve y Victor Tatin también fabricaron ornitópteros de goma durante la década de 1870. El ornitóptero de Tatin fue quizás el primero en usar la torsión activa de las alas, y aparentemente sirvió como base para un juguete comercial ofrecido por Pichancourt c. 1889. Gustave Trouvé fue el primero en utilizar la combustión interna, y su modelo de 1890 voló una distancia de 80 metros en una demostración para la Academia de Ciencias de Francia. Las alas fueron batidas por cargas de pólvora que activaron un tubo de Bourdon.

A partir de 1884, Lawrence Hargrave construyó decenas de ornitópteros impulsados por bandas elásticas, resortes, vapor o aire comprimido. Introdujo el uso de pequeñas alas batientes que proporcionaban el empuje para un ala fija más grande; esta innovación eliminó la necesidad de reducción de engranajes, simplificando así la construcción.

E. P. Frost fabricó ornitópteros a partir de la década de 1870; Los primeros modelos funcionaban con motores de vapor, luego, en la década de 1900, se construyó una nave de combustión interna lo suficientemente grande para una persona, aunque no volaba.

En la década de 1930, Alexander Lippisch y el Cuerpo de Voladores Nacionalsocialistas de la Alemania nazi construyeron y volaron con éxito una serie de ornitópteros impulsados por combustión interna, utilizando el concepto de Hargrave de pequeñas alas batientes, pero con mejoras aerodinámicas resultantes de la estudio metódico.

Erich von Holst, que también trabajó en la década de 1930, logró una gran eficiencia y realismo en su trabajo con ornitópteros impulsados por bandas elásticas. Logró quizás el primer éxito de un ornitóptero con un ala doblada, destinado a imitar más de cerca la acción del ala plegable de las aves, aunque no era un verdadero ala de envergadura variable como las de las aves.

Alrededor de 1960, Percival Spencer voló con éxito una serie de ornitópteros no tripulados que usaban motores de combustión interna con un desplazamiento de 0,020 a 0,80 pulgadas cúbicas (0,33 a 13,11 cm³) y con envergaduras de hasta a 8 pies (2,4 m). En 1961, Percival Spencer y Jack Stephenson volaron con éxito el primer ornitóptero pilotado a distancia y propulsado por un motor, conocido como Spencer Orniplane. El Orniplane tenía una envergadura de 90,7 pulgadas (2300 mm), pesaba 7,5 libras (3,4 kg) y estaba propulsado por un motor de dos tiempos de 0,35 pulgadas cúbicas (5,7 cm³) de cilindrada. Tenía una configuración biplano, para reducir la oscilación del fuselaje.

Vuelo con tripulación

Los ornitópteros tripulados se dividen en dos categorías generales: los impulsados por el esfuerzo muscular del piloto (ornitópteros impulsados por humanos) y los impulsados por un motor.

Alrededor de 1894, Otto Lilienthal, un pionero de la aviación, se hizo famoso en Alemania por sus exitosos y ampliamente publicitados vuelos en planeador. Lilienthal también estudió el vuelo de las aves y realizó algunos experimentos relacionados. Construyó un ornitóptero, aunque su desarrollo completo fue impedido por su prematura muerte el 9 de agosto de 1896 en un accidente de planeador.

En 1929, un ornitóptero impulsado por humanos diseñado por Alexander Lippisch (diseñador del Messerschmitt Me 163 Komet) voló una distancia de 250 a 300 metros (800 a 1000 pies) después del lanzamiento remolcado. Dado que se utilizó un lanzamiento de remolque, algunos han cuestionado si el avión era capaz de volar por sí solo. Lippisch afirmó que el avión en realidad estaba volando, no haciendo un planeo prolongado. (Sería necesaria una medición precisa de la altitud y la velocidad a lo largo del tiempo para resolver esta cuestión). La mayoría de los ornitópteros impulsados por humanos posteriores también utilizaron un lanzamiento de remolque, y los vuelos fueron breves simplemente porque la fuerza muscular humana disminuye rápidamente con el tiempo.

En 1942, Adalbert Schmid realizó un vuelo mucho más largo de un ornitóptero propulsado por humanos en Munich-Laim. Viajó una distancia de 900 metros (3000 pies), manteniendo una altura de 20 metros (65 pies) durante la mayor parte del vuelo. Más tarde, este mismo avión fue equipado con un motor de motocicleta Sachs de tres caballos de fuerza (2,2 kW). Con el motor, realizaba vuelos de hasta 15 minutos de duración. Más tarde, Schmid construyó un ornitóptero de 10 caballos de fuerza (7,5 kW), basado en el planeador Grunau-Baby IIa, que voló en 1947. El segundo avión tenía paneles de alas exteriores batientes.

El ingeniero francés René Riout se dedicó durante tres décadas a la realización de ornitópteros de alas batientes. En 1905 inventó sus primeros modelos. En 1909 ganó la medalla de oro en el concurso Lépine por un modelo reducido. En 1913 trabajó en el desarrollo de un modelo encargado por un piloto, el Dubois-Riout. Las pruebas se detuvieron en 1916. En 1937, finalizó el Riout 102T Alérion, sin duda el ornitóptero de ala batiente pilotado más exitoso hasta la segunda década del siglo XXI. Desafortunadamente, las conclusiones de las pruebas del túnel de viento no fueron favorables para la continuación del proyecto.

En 2005, Yves Rousseau recibió el Diploma Paul Tissandier, otorgado por la FAI por sus contribuciones al campo de la aviación. Rousseau intentó su primer vuelo propulsado por músculos humanos con alas batientes en 1995. El 20 de abril de 2006, en su intento número 212, logró volar una distancia de 64 metros (210 pies), observado por funcionarios del Aero Club de France. En su intento de vuelo número 213, una ráfaga de viento hizo que se rompiera un ala, lo que provocó que el piloto resultara gravemente herido y quedara parapléjico.

Un equipo del Instituto de Estudios Aeroespaciales de la Universidad de Toronto, encabezado por el profesor James DeLaurier, trabajó durante varios años en un ornitóptero pilotado y propulsado por un motor. En julio de 2006, en el aeródromo de Bombardier en Downsview Park en Toronto, la máquina del profesor DeLaurier, el UTIAS Ornithopter No.1, realizó un despegue asistido por un jet y un vuelo de 14 segundos. Según DeLaurier, el jet era necesario para un vuelo sostenido, pero el batir de las alas hacía la mayor parte del trabajo.

El 2 de agosto de 2010, Todd Reichert, de la misma institución, piloteó un ornitóptero de propulsión humana llamado Snowbird. El avión de 32 metros (105 pies) de envergadura y 42 kilogramos (93 libras) se construyó con fibra de carbono, balsa y espuma. El piloto se sentaba en una pequeña cabina suspendida debajo de las alas y bombeaba una barra con los pies para operar un sistema de cables que agitaba las alas hacia arriba y hacia abajo. Remolcado por un automóvil hasta que estuvo en el aire, luego mantuvo el vuelo durante casi 20 segundos. Voló 145 metros (476 ft) con una velocidad media de 25,6 km/h (15,9 mph). En el pasado se realizaron vuelos similares lanzados por remolque, pero la recopilación de datos mejorada verificó que el ornitóptero era capaz de volar con autopropulsión una vez en el aire.

Aplicaciones para ornitópteros no tripulados

Las aplicaciones prácticas aprovechan el parecido con pájaros o insectos. Colorado Parks and Wildlife ha utilizado estas máquinas para ayudar a salvar al urogallo de las artemisas de Gunnison, en peligro de extinción. Un halcón artificial bajo el control de un operador hace que el urogallo permanezca en el suelo para poder capturarlo y estudiarlo.

Debido a que los ornitópteros pueden parecerse a pájaros o insectos, podrían usarse para aplicaciones militares como reconocimiento aéreo sin alertar a los enemigos de que están bajo vigilancia. Se han volado varios ornitópteros con cámaras de video a bordo, algunos de los cuales pueden flotar y maniobrar en espacios pequeños. En 2011, AeroVironment, Inc. demostró un ornitóptero pilotado a distancia que se asemeja a un gran colibrí para posibles misiones de espionaje.

Dirigido por Paul B. MacCready (de Gossamer Albatross), AeroVironment, Inc. desarrolló un modelo controlado por radio a media escala del pterosaurio gigante, Quetzalcoatlus northropi, para la Institución Smithsonian a mediados -1980. Fue construido para protagonizar la película IMAX On the Wing. El modelo tenía una envergadura de 5,5 metros (18 pies) y presentaba un complejo sistema de control de piloto automático computarizado, al igual que el pterosaurio de tamaño completo confiaba en su sistema neuromuscular para realizar ajustes constantes en vuelo.

Los investigadores esperan eliminar los motores y engranajes de los diseños actuales imitando más de cerca los músculos de vuelo de los animales. Robert C. Michelson, del Instituto de Investigación Tecnológica de Georgia, está desarrollando un músculo químico alternativo para su uso en aeronaves de alas batientes a microescala. Michelson utiliza el término "entomóptero" para este tipo de ornitóptero. SRI International está desarrollando músculos artificiales de polímero que también pueden usarse para el vuelo con aleteo.

En 2002, Krister Wolff y Peter Nordin de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia, construyeron un robot de alas batientes que aprendió técnicas de vuelo. El diseño de madera de balsa fue impulsado por la tecnología de software de aprendizaje automático conocida como algoritmo evolutivo lineal de estado estable. Inspirado en la evolución natural, el software "evoluciona" en respuesta a la retroalimentación sobre qué tan bien realiza una tarea determinada. Aunque confinado a un aparato de laboratorio, su ornitóptero evolucionó para lograr la máxima fuerza de elevación sostenida y movimiento horizontal.

Desde 2002, el profesor Theo van Holten ha estado trabajando en un ornitóptero construido como un helicóptero. El dispositivo se llama "ornicopter" y se hizo construyendo el rotor principal de modo que no tuviera par de reacción.

En 2008, el Aeropuerto Schiphol de Ámsterdam comenzó a utilizar un halcón mecánico de aspecto realista diseñado por el cetrero Robert Musters. El pájaro robot controlado por radio se utiliza para ahuyentar pájaros que podrían dañar los motores de los aviones.

En 2012, RoBird (anteriormente Clear Flight Solutions), una empresa derivada de la Universidad de Twente, comenzó a fabricar aves rapaces artificiales (llamadas RoBird®) para aeropuertos e industrias agrícolas y de gestión de residuos.

Adrian Thomas (zoólogo) y Alex Caccia fundaron Animal Dynamics Ltd en 2015 para desarrollar un análogo mecánico de las libélulas que se usaría como un dron que superaría a los cuadricópteros. El trabajo está financiado por el Laboratorio de Ciencia y Tecnología de la Defensa, el brazo de investigación del Ministerio de Defensa británico y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos.

Pasatiempo

Los aficionados pueden construir y volar sus propios ornitópteros. Estos van desde modelos livianos impulsados por bandas elásticas hasta modelos más grandes con control de radio.

El modelo impulsado por bandas elásticas puede ser bastante simple en diseño y construcción. Los aficionados compiten por los tiempos de vuelo más largos con estos modelos. Un modelo introductorio puede ser bastante simple en diseño y construcción, pero los diseños avanzados de competencia son extremadamente delicados y difíciles de construir. Roy White tiene el récord nacional de Estados Unidos para motores de goma en interiores, con un tiempo de vuelo de 21 minutos y 44 segundos.

Los ornitópteros comerciales de juguete impulsados por bandas elásticas han estado disponibles durante mucho tiempo. El primero de ellos se vendió con el nombre de Tim Bird en París en 1879. Los modelos posteriores también se vendieron como Tim Bird (fabricado por G de Ruymbeke, Francia, desde 1969).

Los diseños comerciales controlados por radio provienen de las Gaviotas propulsadas por motor de Percival Spencer, desarrolladas alrededor de 1958, y el trabajo de Sean Kinkade desde finales de la década de 1990 hasta la actualidad. Las alas suelen ser impulsadas por un motor eléctrico. Muchos aficionados disfrutan experimentando con sus propios nuevos diseños y mecanismos de alas. La oportunidad de interactuar con pájaros reales en su propio dominio también agrega un gran disfrute a este pasatiempo. Las aves suelen ser curiosas y seguirán o investigarán al modelo mientras vuela. En algunos casos, las aves RC han sido atacadas por aves rapaces, cuervos e incluso gatos. Los modelos más baratos más recientes, como Dragonfly de WowWee, han ampliado el mercado de aficionados dedicados al mercado general de juguetes.

Algunos recursos útiles para los aficionados incluyen The Ornithopter Design Manual, un libro escrito por Nathan Chronister, y el sitio web The Ornithopter Zone, que incluye una gran cantidad de información sobre cómo construir y volar estos modelos.

Los ornitópteros también fueron de interés como tema de uno de los eventos anteriores en la lista de eventos de la Olimpiada científica nacional estadounidense. El evento ("Flying Bird") implicó la construcción de un ornitóptero autopropulsado con especificaciones exigentes, con puntos otorgados por tiempo de vuelo alto y peso bajo. También se otorgaron puntos de bonificación si el ornitóptero parecía un pájaro real.

Aerodinámica

Como lo demostraron las aves, el aleteo ofrece ventajas potenciales en la maniobrabilidad y el ahorro de energía en comparación con los aviones de ala fija, así como un despegue y aterrizaje potencialmente verticales. Se ha sugerido que estas ventajas son mayores en tamaños pequeños y velocidades de vuelo bajas, pero el desarrollo de una teoría aerodinámica integral para el aleteo sigue siendo un problema pendiente debido a la compleja naturaleza no lineal de estos flujos de separación inestables.

A diferencia de los aviones y helicópteros, las superficies aerodinámicas de conducción del ornitóptero tienen un movimiento de aleteo u oscilación, en lugar de rotación. Al igual que con los helicópteros, las alas suelen tener una función combinada de proporcionar sustentación y empuje. Teóricamente, el aleteo del ala se puede ajustar a cero ángulo de ataque en el movimiento ascendente, por lo que pasa fácilmente por el aire. Dado que normalmente las superficies aerodinámicas batientes producen tanto sustentación como empuje, se minimizan las estructuras que inducen la resistencia al avance. Estas dos ventajas permiten potencialmente un alto grado de eficiencia.

Diseño de alas

Si los futuros ornitópteros motorizados tripulados dejan de ser aeronaves "exóticas", imaginarias e irreales y comienzan a servir a los humanos como miembros menores de la familia de aeronaves, los diseñadores e ingenieros deberán resolver no solo los problemas de diseño de las alas, sino también muchos otros problemas involucrados en convertirlos en aeronaves seguras y confiables. Algunos de estos problemas, como la estabilidad, controlabilidad y durabilidad, son necesarios para todas las aeronaves. Aparecerán otros problemas específicos de los ornitópteros; optimizar el diseño de alas batientes es solo uno de ellos.

Un ornitóptero eficaz debe tener alas capaces de generar tanto empuje, la fuerza que impulsa a la nave hacia adelante, como sustentación, la fuerza (perpendicular a la dirección del vuelo) que mantiene la nave en el aire. Estas fuerzas deben ser lo suficientemente fuertes para contrarrestar los efectos del arrastre y el peso de la embarcación.

Los diseños de ornitópteros de Leonardo se inspiraron en su estudio de las aves y concibieron el uso del movimiento de aleteo para generar empuje y proporcionar el movimiento de avance necesario para la sustentación aerodinámica. Sin embargo, utilizando los materiales disponibles en ese momento, la nave sería demasiado pesada y requeriría demasiada energía para producir suficiente sustentación o empuje para el vuelo. Alphonse Pénaud introdujo la idea de un ornitóptero motorizado en 1874. Su diseño tenía una potencia limitada y era incontrolable, por lo que se transformó en un juguete para niños. Los vehículos más recientes, como los ornitópteros propulsados por humanos de Lippisch (1929) y Emiel Hartman (1959), eran planeadores motorizados capaces pero requerían un vehículo remolcador para despegar y es posible que no hayan sido capaces de generar suficiente sustentación para un vuelo sostenido.. El ornitóptero de Hartman carecía de la base teórica de otros basados en el estudio del vuelo alado, pero ejemplificaba la idea de un ornitóptero como una máquina parecida a un pájaro en lugar de una máquina que copia directamente a los pájaros. método de vuelo. La década de 1960 vio ornitópteros no tripulados propulsados de varios tamaños capaces de lograr y mantener el vuelo, proporcionando valiosos ejemplos del mundo real de vuelo con alas mecánicas. En 1991, Harris y DeLaurier volaron con éxito el primer ornitóptero pilotado a distancia impulsado por un motor en Toronto, Canadá. En 1999, voló un ornitóptero pilotado basado en este diseño, capaz de despegar del pavimento nivelado y ejecutar un vuelo sostenido.

El aleteo de las alas de un ornitóptero y su movimiento por el aire están diseñados para maximizar la cantidad de sustentación generada dentro de los límites de peso, resistencia del material y complejidad mecánica. Un material de ala flexible puede aumentar la eficiencia mientras mantiene simple el mecanismo de conducción. En los diseños de ala con el larguero lo suficientemente adelante del perfil aerodinámico de modo que el centro aerodinámico esté detrás del eje elástico del ala, la deformación aeroelástica hace que el ala se mueva de una manera cercana a su eficiencia ideal (en la que los ángulos de cabeceo retrasan los desplazamientos de inmersión aproximadamente 90 grados). Las alas batientes aumentan la resistencia y no son tan eficientes como los aviones propulsados por hélice. Algunos diseños logran una mayor eficiencia al aplicar más potencia en la carrera descendente que en la ascendente, como lo hacen la mayoría de las aves.

Para lograr la flexibilidad deseada y el peso mínimo, los ingenieros e investigadores han experimentado con alas que requieren fibra de carbono, madera contrachapada, tela y costillas, con un borde de fuga fuerte y rígido. Cualquier masa situada detrás del empenaje reduce el rendimiento del ala, por lo que se utilizan materiales ligeros y espacios vacíos siempre que sea posible. Para minimizar la resistencia y mantener la forma deseada, también es importante elegir un material para la superficie del ala. En los experimentos de DeLaurier, una superficie aerodinámica suave con un perfil aerodinámico de doble superficie es más eficiente para producir sustentación que un perfil aerodinámico de una sola superficie.

Otros ornitópteros no actúan necesariamente como pájaros o murciélagos en vuelo. Por lo general, las aves y los murciélagos tienen alas delgadas y combadas para producir sustentación y empuje. Los ornitópteros con alas más delgadas tienen un ángulo de ataque limitado pero brindan un rendimiento óptimo de resistencia mínima para un solo coeficiente de sustentación.

Aunque los colibríes vuelan con las alas completamente extendidas, ese vuelo no es factible para un ornitóptero. Si el ala de un ornitóptero se extendiera por completo, girara y aleteara con pequeños movimientos, provocaría una pérdida, y si se girara y aleteara con movimientos muy grandes, actuaría como un molino de viento provocando una situación de vuelo ineficiente.

Un equipo de ingenieros e investigadores llamado "Fullwing" ha creado un ornitóptero que tiene una sustentación promedio de más de 8 libras, un empuje promedio de 0.88 libras y una eficiencia de propulsión del 54%. Las alas se probaron en un túnel de viento de baja velocidad midiendo el rendimiento aerodinámico, demostrando que cuanto mayor es la frecuencia del batido del ala, mayor es el empuje promedio del ornitóptero.

En la ficción

Ornithopters have been depicted in fiction several times, including Frank Herbert 's Dune series, where they are the primary form of transportation in the desert setting.