Un ornitóptero (del griego ornis, ornith- 'pájaro' y pteron 'ala') es un avión que vuela batiendo sus alas . Los diseñadores intentaron imitar el vuelo de aves, murciélagos e insectos . Aunque las máquinas pueden diferir en forma, normalmente están construidas a la misma escala que los animales voladores. También se han construido ornitópteros tripulados más grandes y algunos han tenido éxito. Los ornitópteros tripulados generalmente funcionan con motores o con el piloto .
Es posible que algunos de los primeros intentos de vuelo con tripulación tuvieran como objetivo 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 (registrados en el siglo XII) y del poeta del siglo IX Abbas Ibn Firnas (registrados en el siglo XVII). [1] Roger Bacon , escribiendo en 1260, también fue uno de los primeros en considerar un medio tecnológico de vuelo. En 1485, Leonardo da Vinci empezó a estudiar el vuelo de las aves. Se dio cuenta de 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 tumba sobre una tabla y acciona dos grandes alas membranosas mediante palancas manuales, pedales y un sistema de poleas.
En 1841, un herrero kalfa (oficial), Manojlo, que "vino a Belgrado desde Vojvodina ", [2] intentó volar con un dispositivo descrito como un ornitóptero ("batiendo alas como las de un pájaro"). Las autoridades le negaron el permiso para despegar desde el campanario de la catedral de San Miguel , subió clandestinamente a la azotea de la Dumrukhana (oficina central de impuestos de importación) y despegó, aterrizando en un montón de nieve y sobreviviendo. [3]
Los primeros ornitópteros capaces de volar se construyeron en Francia. Jobert en 1871 utilizó 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. [4] El ornitóptero de Tatin fue quizás el primero en utilizar 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 eran batidas por cargas de pólvora que activaban un tubo Bourdon .
A partir de 1884, Lawrence Hargrave construyó decenas de ornitópteros impulsados por bandas elásticas, resortes, vapor o aire comprimido . [5] 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.
EP Frost fabricó ornitópteros a partir de la década de 1870; Los primeros modelos funcionaban con máquinas de vapor y luego, en el siglo XX, se construyó una nave de combustión interna lo suficientemente grande para una persona, aunque no volaba. [6]
En la década de 1930, Alexander Lippisch y el Cuerpo de Aviadores Nacionalsocialistas de la Alemania nazi construyeron y volaron con éxito una serie de ornitópteros propulsados por combustión interna, utilizando el concepto de Hargrave de pequeñas alas batientes, pero con mejoras aerodinámicas resultantes del 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 curvada, destinada a imitar más fielmente la acción del ala plegable de las aves, aunque no era una verdadera ala de envergadura variable como las de las aves. [7]
Alrededor de 1960, Percival Spencer voló con éxito una serie de ornitópteros no tripulados utilizando motores de combustión interna con un desplazamiento de 0,020 a 0,80 pulgadas cúbicas (0,33 a 13,11 cm 3 ) y con envergaduras de hasta 8 pies (2,4 m). [8] En 1961, Percival Spencer y Jack Stephenson volaron con éxito el primer ornitóptero pilotado remotamente propulsado por un motor, conocido como Spencer Orniplane. [9] 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 cm 3 ) de desplazamiento . Tenía una configuración biplano, para reducir la oscilación del fuselaje. [10]
Los ornitópteros tripulados se dividen en dos categorías generales: los propulsados por el esfuerzo muscular del piloto (ornitópteros de propulsión humana) y los propulsados 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 planeadores. Lilienthal también estudió el vuelo de las aves y realizó algunos experimentos relacionados. Construyó un ornitóptero, aunque su desarrollo completo se vio impedido por su prematura muerte el 9 de agosto de 1896 en un accidente de planeador.
En 1929, un ornitóptero propulsado por un hombre 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 del remolque. Desde 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 propulsados 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 con un ornitóptero de propulsión humana en Munich-Laim. Recorrió una distancia de 900 metros (3000 pies), manteniendo una altura de 20 metros (65 pies) durante la mayor parte del vuelo. Posteriormente, 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 ala exteriores batientes. [11]
El ingeniero francés René Riout se dedicó durante tres décadas a la realización de ornitópteros con 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 pilotado de alas batientes de mayor éxito hasta la segunda década del siglo XXI. Lamentablemente, las conclusiones de las pruebas en el túnel de viento no fueron favorables para la continuación del proyecto. [12] [13]
En 2005, Yves Rousseau recibió el Diploma Paul Tissandier , concedido por la FAI por sus contribuciones al campo de la aviación. Rousseau intentó su primer vuelo impulsado por músculos humanos con batir de alas 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 Francia. En su intento de vuelo número 213, una ráfaga de viento provocó que un ala se rompiera, lo que provocó que el piloto resultara gravemente herido y quedara parapléjico . [14]
Un equipo del Instituto de Estudios Aeroespaciales de la Universidad de Toronto , dirigido 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 Bombardier de 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, [15] el avión era necesario para un vuelo sostenido, pero el batir de alas hacía la mayor parte del trabajo. [dieciséis]
El 2 de agosto de 2010, Todd Reichert de la misma institución pilotó un ornitóptero de propulsión humana llamado Snowbird . El avión de 32 metros (105 pies) de envergadura y 42 kilogramos (93 libras) fue construido 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 despegó, luego mantuvo el vuelo durante casi 20 segundos. Voló 145 metros (476 pies) con una velocidad promedio de 25,6 km/h (15,9 mph). [17] En el pasado se realizaron vuelos similares lanzados con remolque, pero una mejor recopilación de datos verificó que el ornitóptero era capaz de realizar un vuelo autopropulsado una vez en el aire. [18]
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 Gunnison , que está en peligro de extinción . Un halcón artificial bajo el control de un operador hace que los urogallo permanezcan en el suelo para poder capturarlos y estudiarlos.
Debido a que se puede hacer que los ornitópteros se parezcan a pájaros o insectos, podrían usarse para aplicaciones militares, como el reconocimiento aéreo, sin alertar a los enemigos de que están bajo vigilancia. Se han volado varios ornitópteros con cámaras de vídeo a bordo, algunas de las cuales pueden flotar y maniobrar en espacios pequeños. En 2011, AeroVironment demostró un ornitóptero pilotado remotamente que se asemeja a un gran colibrí para posibles misiones de espionaje.
Dirigido por Paul B. MacCready (famoso por Gossamer Albatross ), AeroVironment desarrolló un modelo radiocontrolado a media escala del pterosaurio gigante , Quetzalcoatlus northropi , para el Instituto Smithsonian a mediados de los años 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 real confiaba en su sistema neuromuscular para realizar ajustes constantes en vuelo. [19] [20] [21]
Los investigadores esperan eliminar los motores y engranajes de los diseños actuales imitando más fielmente los músculos de vuelo de los animales. Robert C. Michelson , del Georgia Tech Research Institute, está desarrollando un músculo químico alternativo para su uso en aviones de alas batientes a microescala. Michelson utiliza el término " entomóptero " para este tipo de ornitóptero. [22] SRI International está desarrollando músculos artificiales de polímero que también pueden usarse para volar con alas batidas.
En 2002, Krister Wolff y Peter Nordin de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia construyeron un robot con alas batientes que aprendía técnicas de vuelo. [23] El diseño de madera de balsa fue impulsado por una 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 en un comportamiento para lograr una fuerza de sustentación máxima sostenida y un movimiento horizontal. [24]
Desde 2002, el profesor Theo van Holten trabaja en un ornitóptero construido como un helicóptero . El dispositivo se llama "ornicopter" [25] y se fabricó construyendo el rotor principal de modo que no tuviera par de reacción.
En 2008, el aeropuerto Schiphol de Ámsterdam empezó a utilizar un halcón mecánico de aspecto realista diseñado por el halconero Robert Musters. El pájaro robot radiocontrolado sirve para ahuyentar a los pájaros que podrían dañar los motores de los aviones. [26] [27]
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. [28] [29]
Adrian Thomas y Alex Caccia fundaron Animal Dynamics Ltd en 2015 para desarrollar un análogo mecánico de las libélulas que se utilizaría como un dron y superaría a los cuadricópteros. El trabajo está financiado por el Laboratorio de Ciencia y Tecnología de Defensa, el brazo de investigación del Ministerio de Defensa británico y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. [30]
Los aficionados pueden construir y volar sus propios ornitópteros. Estos van desde modelos livianos accionados por bandas elásticas, hasta modelos más grandes con control por radio.
El modelo impulsado por una banda elástica 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 la competencia son extremadamente delicados y desafiantes de construir. Roy White ostenta el récord nacional de Estados Unidos en interiores con neumáticos, con un tiempo de vuelo de 21 minutos y 44 segundos [ cita requerida ] .
Los ornitópteros de juguete comerciales de vuelo libre impulsados por bandas elásticas están disponibles desde hace mucho tiempo. El primero de ellos se vendió con el nombre de Tim Bird en París en 1879. [31] 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 los Seagulls propulsados por motor de Percival Spencer, desarrollados alrededor de 1958, y del trabajo de Sean Kinkade desde finales de la década de 1990 hasta la actualidad. Las alas suelen ser accionadas por un motor eléctrico. Muchos aficionados disfrutan experimentando con sus propios diseños y mecanismos de alas nuevos. La oportunidad de interactuar con aves reales en su propio dominio también añade un gran disfrute a este pasatiempo. Los pájaros suelen ser curiosos y seguirán o investigarán el modelo mientras vuela. En algunos casos, las aves RC han sido atacadas por aves rapaces , cuervos e incluso gatos. Los modelos más recientes y baratos, como el Dragonfly de WowWee, han ampliado el mercado desde 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 un alto tiempo de vuelo y bajo peso. También se otorgaban puntos de bonificación si el ornitóptero parecía un pájaro real.
Como lo demuestran las aves, el batir de alas ofrece ventajas potenciales en maniobrabilidad y ahorro de energía en comparación con los aviones de ala fija, así como despegues y aterrizajes potencialmente verticales. Se ha sugerido que estas ventajas son mayores en tamaños pequeños y bajas velocidades de vuelo, [32] pero el desarrollo de una teoría aerodinámica integral para el aleteo sigue siendo un problema pendiente debido a la compleja naturaleza no lineal de tales flujos de separación inestables. [33]
A diferencia de los aviones y helicópteros, las superficies aerodinámicas del ornitóptero tienen un movimiento de aleteo u oscilación, en lugar de rotatorio. Al igual que ocurre con los helicópteros, las alas suelen tener la función combinada de proporcionar sustentación y empuje. En teoría, el ala que aletea se puede ajustar a un ángulo de ataque cero en el movimiento ascendente, por lo que pasa fácilmente por el aire. Dado que normalmente los perfiles aerodinámicos producen tanto sustentación como empuje, se minimizan las estructuras que inducen la resistencia al arrastre . Estas dos ventajas permiten potencialmente un alto grado de eficiencia. [ cita necesaria ]
Si los futuros ornitópteros motorizados con tripulación dejan de ser aviones "exóticos", imaginarios e irreales y comienzan a servir a los humanos como miembros jóvenes de la familia de aviones, los diseñadores e ingenieros tendrán que resolver no sólo los problemas de diseño de las alas sino muchos otros problemas relacionados con hacerlas seguras. y aviones fiables. Algunos de estos problemas, como la estabilidad, la controlabilidad y la durabilidad, son necesarios para todas las aeronaves. Aparecerán otros problemas específicos de los ornitópteros; optimizar el diseño de alas batientes es sólo uno de ellos.
Un ornitóptero eficaz debe tener alas capaces de generar tanto empuje , la fuerza que impulsa la nave hacia adelante, como elevación , la fuerza (perpendicular a la dirección del vuelo) que mantiene la nave en el aire. Estas fuerzas deben ser lo suficientemente fuertes como para contrarrestar los efectos de la resistencia y el peso de la nave.
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 hacia adelante necesario para la sustentación aerodinámica. Sin embargo, si se utilizaran materiales disponibles en ese momento, la nave sería demasiado pesada y requeriría demasiada energía para producir suficiente sustentación o empuje para volar. Alphonse Pénaud introdujo la idea de un ornitóptero motorizado en 1874. Su diseño tenía una potencia limitada y era incontrolable, lo que provocó que se transformara en un juguete para niños. [34] Los vehículos más recientes, como los ornitópteros de propulsión humana de Lippisch (1929) y Emiel Hartman (1959), eran planeadores con motor capaz, pero requerían un vehículo de remolque para despegar y es posible que no fueran capaces de generar suficiente sustentación. para 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 el método de vuelo de las aves. [35] [36] La década de 1960 vio ornitópteros propulsados no tripulados 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 remotamente propulsado por motor en Toronto, Canadá. En 1999, voló un ornitóptero pilotado basado en este diseño, capaz de despegar desde pavimento nivelado y ejecutar un vuelo sostenido. [35]
El aleteo de las alas de un ornitóptero y su movimiento a través del aire están diseñados para maximizar la cantidad de sustentación generada dentro de límites de peso, resistencia del material y complejidad mecánica. Un material de ala flexible puede aumentar la eficiencia y al mismo tiempo mantener simple el mecanismo de accionamiento. En diseños de alas con el larguero lo suficientemente adelantado respecto del perfil aerodinámico como para 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 cual los ángulos de cabeceo se retrasan con respecto a los desplazamientos en picado en aproximadamente 90 grados.) [37] El batir de las alas aumenta la resistencia y no son tan eficientes como los aviones propulsados por hélice. Algunos diseños logran una mayor eficiencia al aplicar más potencia en el movimiento descendente que en el ascendente, como lo hacen la mayoría de las aves. [34]
Para lograr la flexibilidad deseada y el peso mínimo, ingenieros e investigadores han experimentado con alas que requieren fibra de carbono, madera contrachapada, tela y nervaduras, con un borde de salida rígido y fuerte. [38] Cualquier masa ubicada detrás del empenaje reduce el rendimiento del ala, por lo que se utilizan materiales livianos y espacio vacío siempre que sea posible. Para minimizar la resistencia y mantener la forma deseada, también es importante la elección del 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 necesariamente actúan como pájaros o murciélagos en vuelo. Por lo general, las aves y los murciélagos tienen alas delgadas y arqueadas para producir sustentación y empuje. Los ornitópteros con alas más delgadas tienen un ángulo de ataque limitado pero proporcionan un rendimiento óptimo de resistencia mínima para un único coeficiente de sustentación. [39]
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 completamente, girara y aleteara en pequeños movimientos, causaría una pérdida, y si se girara y aleteara en movimientos muy grandes, actuaría como un molino de viento causando una situación de vuelo ineficiente. [40]
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%. [41] Las alas fueron probadas en un túnel de viento de baja velocidad midiendo el rendimiento aerodinámico, mostrando que cuanto mayor es la frecuencia del batido del ala, mayor es el empuje promedio del ornitóptero.
Los ornitópteros han sido representados en la ficción varias veces, incluida la serie Dune de Frank Herbert , donde son la principal forma de transporte aéreo utilizada por la Casa Atreides en el clima desértico del planeta Arrakis . [42] [43]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )No diría que este 'Dune' coincide con la visión que tuve al leer el libro. Es mejor. Las imágenes superan mi imaginación: ¡esos ornitópteros!
