Bei jedem Flügelschlag treffen die beiden Flügelpaare aufeinander. (Autor angegeben) Wir haben Vierflügel entwickelt vogelähnliche Roboter , Ornithopter genannt, die mit der Beweglichkeit von Mauerseglern, Kolibris und Insekten abheben und fliegen können. Wir haben dies erreicht, indem wir die Aerodynamik und Biomechanik dieser Kreaturen rückentwickelt haben.
Unsere Ornithopter haben das Potenzial, bestehende Drohnenkonfigurationen mit statischen Flügeln oder Propellern zu übertreffen und auszumanövrieren.
Was sind Ornithopter?
Ornithopter sind Fluggeräte, die der Konstruktion von Vögeln nachempfunden sind. Bestehende Drohnenkonfigurationen basieren auf Propellern und statischen Flügeln. Ornithopter schlagen mit den Flügeln, um Vorwärtsschub zu erzeugen. Die komplexe Beziehung zwischen Aerodynamik und Flügelbewegungen ermöglicht es Vögeln und Insekten, auf eine Weise zu fliegen, die herkömmlichen Drohnen nicht möglich wäre.
Warum wollen wir Ornithopter?
Ornithopter fliegen anders als herkömmliche Drohnen. Sie können gleiten, schweben und Kunstflug ausführen. In verschiedenen Situationen können sie entweder Energie sparen, indem sie wie ein normales Flugzeug fliegen, oder sich für den Schwebeflug entscheiden. Sie können auf engstem Raum langsam starten und landen, können aber schnell in die Höhe fliegen und sich wie ein Vogel niederlassen.
Aktuelle Multirotor-Drohnen schweben sehr gut, verbrauchen aber im Vorwärtsflug noch mehr Energie als im Schwebeflug, sodass sie nicht wirklich weit fliegen können. Starrflügeldrohnen können effizient mit hohen Geschwindigkeiten fliegen, ein Schwebeflug ist jedoch normalerweise nicht möglich, ohne das gesamte Design zu beeinträchtigen. Es gibt Hybridkonzepte, meist mit Flügeln und Rotoren. Im Vergleich zu anderen Konstruktionen schneiden Hybridflugzeuge im Schwebe- und Reiseflug aufgrund des zusätzlichen Gewichts und des Luftwiderstands aufgrund der größeren Anzahl von Teilen schlecht ab.
Der Flügelschlag ist die ursprüngliche Lösung der Natur für das Bedürfnis, sowohl schnell als auch langsam zu fliegen sowie von überall aus zu landen und zu starten. Bei einem Vogel oder Insekt wird jeder Teil des Systems für den Schwebe- und Reiseflug genutzt, ohne überflüssige Triebwerke oder zusätzliche Flügel mitzuführen.
Bestehende Starrflügler- und Drehflüglerdrohnen sind so gut erforscht, dass ihre Konstruktionen inzwischen an die Grenzen ihrer Effizienz stoßen. Das Hinzufügen von etwas Neuem geht mit Kosten für andere Leistungsaspekte einher.
Prinzipiell sind Ornithopter zu komplexeren Missionen fähig als herkömmliche Flugzeuge, etwa zum Fliegen über weite Strecken, zu zeitweiligen Schwebeflügen und zum Manövrieren auf engstem Raum. Ornithopter sind aufgrund ihrer großen Flügelfläche und langsamen Flügelschläge weniger laut und sicherer in der Nähe von Menschen.
Wie bauen wir einen funktionierenden Ornithopter?
Ein Ornithopter ist ein hochkomplexes System. Bisher waren Schlagflügeldrohnen langsamer Flugbetrieb und nicht in der Lage, die Geschwindigkeit und Leistung zu erreichen, die für vertikalen Kunstflug oder Dauerschwebeflug erforderlich sind.
Die wenigen kommerziell erhältlichen Ornithopter sind für den Vorwärtsflug konzipiert. Sie steigen langsam wie ein Flugzeug mit geringer Leistung und können nicht schweben oder vertikal steigen.
Unser Design unterscheidet sich in mehrfacher Hinsicht.
Ein Unterschied besteht darin, dass unsere Ornithopter den „Klatsch- und Schleudereffekt“ nutzen. Die beiden Flügelpaare schlagen so, dass sie sich treffen, als würden Hände klatschen. Dadurch entsteht genügend zusätzlicher Schub, um ihr Körpergewicht beim Schweben anzuheben.
(Autor angegeben)
Wir haben die Effizienz verbessert, indem wir das Flügel-/Körperscharnier so abgestimmt haben, dass es die Energie des sich bewegenden Flügels speichert und zurückgewinnt, wenn die Flügel ihre Richtung ändern, wie bei einer Feder. Wir haben auch herausgefunden, dass der größte Teil des Energieverlusts darauf zurückzuführen ist, dass sich die Zahnräder unter der Last des Flügelantriebs verbiegen. Wir haben dieses Problem mit winzigen Lagern und einer Neuanordnung der Wellen im Getriebe gelöst, um den richtigen Abstand der Zahnräder zu gewährleisten.
Das große Heck, bestehend aus Seiten- und Höhenruder, erzeugt viel Drehkraft. Dies ermöglicht aggressive Kunstflugmanöver und einen schnellen Wechsel vom Horizontal- in den Vertikalflug.
Das System wurde so konzipiert, dass es in der Lage ist, die Nase nach oben zu neigen und so den Anstellwinkel schnell zu vergrößern, bis der Flügel keinen Auftrieb mehr erzeugt, ein Phänomen, das als „dynamischer Strömungsabriss“ bezeichnet wird.
Der dynamische Strömungsabriss erzeugt viel Luftwiderstand und verwandelt den Flügel in einen Fallschirm, der das Flugzeug verlangsamt. Dies wäre bei vielen Drohnen unerwünscht, aber die Möglichkeit, in diesen Zustand zu gelangen und sich schnell wieder zu erholen, erhöht die Manövrierfähigkeit. Dies ist nützlich, wenn Sie in unübersichtlichen Umgebungen arbeiten oder auf einer Sitzstange landen.
Mit der Evolution Schritt halten
Eine der wichtigsten Erkenntnisse unserer Arbeit war, dass ein praktischer Ornithopter eine ähnliche Effizienz wie ein Propellerflugzeug erreichen könnte. Sobald zusätzliche Kräfte freigesetzt wurden, wurden dem Ornithopter mehrere Verhaltensweisen möglich.
Dies hat wirklich gezeigt, dass die Optimierung des Fluggeräts der Schlüssel zur Realisierbarkeit dieser neuen Flugzeugkonstruktionen ist. Wir arbeiten jetzt daran, Flügeldesigns zu verwenden, die der Natur nachempfunden sind. Wir hoffen auf ebenso große Verbesserungen.
In gewisser Weise sollten solch große Effizienzgewinne durch Designänderungen in diesen neuen Systemen nicht überraschen. Geflügelte Organismen wurden durch die Evolution über Hunderte von Millionen Jahren hinweg optimiert. Wir Menschen beschäftigen uns seit weniger als 200 Jahren damit. 
Jawaan Chahal , Gemeinsamer Lehrstuhl für Sensorsysteme der DST Group, Universität von Südaustralien .
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