Un ornitóptero (del griego ornis, ornith- 'pájaro' y pteron 'ala') es una aeronave que vuela batiendo sus alas. Los diseñadores buscaron imitar el vuelo de las aves, los murciélagos y los insectos. Aunque las máquinas pueden diferir en forma, generalmente se construyen 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 están propulsados por motores o por el piloto .
Algunos de los primeros intentos de vuelo rudimentarios pueden haber tenido como objetivo lograr un vuelo con alas batientes, pero probablemente solo se logró un planeo en realidad. Incluyen los supuestos vuelos del monje católico del siglo XI Eilmer de Malmesbury (registrados en el siglo XII) y el poeta del siglo IX Abbas Ibn Firnas (registrado 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 comenzó a estudiar el vuelo de las aves. Comprendió que los humanos son demasiado pesados y no lo suficientemente fuertes como para volar utilizando alas simplemente unidas a los brazos. Por lo tanto, esbozó un dispositivo en el que el aviador se recuesta sobre una tabla y maneja dos grandes alas membranosas utilizando palancas manuales, pedales y un sistema de poleas.
En 1841, un herrero llamado kalfa (oficial) Manojlo, que "llegó a Belgrado desde Vojvodina ", [2] intentó volar con un aparato descrito como un ornitóptero ("con alas batientes como las de un pájaro"). Cuando las autoridades le negaron el permiso para despegar desde el campanario de la catedral de San Miguel , subió clandestinamente al tejado de 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. En 1871, Jobert utilizó una banda de goma para impulsar un pequeño modelo de pájaro. Alphonse Pénaud , Abel Hureau de Villeneuve y Victor Tatin también fabricaron ornitópteros impulsados por goma durante la década de 1870. [4] El ornitóptero de Tatin fue quizás el primero en utilizar 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 combustión interna, y su modelo de 1890 voló una distancia de 80 metros en una demostración para la Academia Francesa de Ciencias. Las alas se agitaban mediante cargas de pólvora que activaban un tubo Bourdon .
A partir de 1884, Lawrence Hargrave construyó decenas de ornitópteros propulsados por bandas de goma, 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 comenzó a fabricar ornitópteros en la década de 1870; los primeros modelos eran propulsados por 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. [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 de un estudio metódico.
Erich von Holst , que también trabajó en la década de 1930, logró una gran eficiencia y realismo en su trabajo con ornitópteros propulsados por bandas elásticas. Logró quizás el primer éxito de un ornitóptero con un ala plegable, destinado a imitar más fielmente el movimiento de plegado de las alas de los pájaros, aunque no se trataba de un ala de envergadura variable como las de los pájaros. [7]
Alrededor de 1960, Percival Spencer voló con éxito una serie de ornitópteros no tripulados utilizando motores de combustión interna que iban desde 0,020 a 0,80 pulgadas cúbicas (0,33 a 13,11 cm 3 ) de desplazamiento, y con envergaduras de hasta 8 pies (2,4 m). [8] En 1961, Percival Spencer y Jack Stephenson volaron el primer ornitóptero pilotado a distancia con motor con éxito, 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 biplana, para reducir la oscilación del fuselaje. [10]
Los ornitópteros tripulados se dividen en dos categorías generales: aquellos impulsados por el esfuerzo muscular del piloto (ornitópteros de propulsión humana) y aquellos impulsados por un motor.
En 1894, Otto Lilienthal , un pionero de la aviación, se hizo famoso en Alemania por sus vuelos en planeador, que fueron muy publicitados y tuvieron éxito. 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 el hombre diseñado por Alexander Lippisch (diseñador del Messerschmitt Me 163 Komet ) voló una distancia de 250 a 300 metros (800–1.000 pies) tras un despegue mediante remolque. Dado que se utilizó un despegue mediante remolque, algunos han cuestionado si la aeronave era capaz de volar por sí sola. Lippisch afirmó que la aeronave estaba realmente 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 despegue mediante 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. Más tarde, este mismo avión fue equipado con un motor de motocicleta Sachs de tres caballos de fuerza (2,2 kW). Con el motor, realizó vuelos de hasta 15 minutos de duración. Schmid construyó más tarde 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 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 interrumpieron en 1916. En 1937, finalizó el Riout 102T Alérion , sin duda el ornitóptero de alas batientes pilotado de mayor éxito hasta la segunda década del siglo XXI. Lamentablemente, las conclusiones de las pruebas en el túnel de viento no fueron favorables a la continuación del proyecto. [12] [13]
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 con propulsión muscular humana y 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 provocó la rotura de un ala, 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 motor. En julio de 2006, en el aeródromo Bombardier en Downsview Park en Toronto , la máquina del profesor DeLaurier, el Ornitóptero UTIAS Nº 1, realizó un despegue asistido por un reactor y un vuelo de 14 segundos. Según DeLaurier, [15] el reactor era necesario para el vuelo sostenido, pero las alas batientes hicieron la mayor parte del trabajo. [16]
El 2 de agosto de 2010, Todd Reichert, de la misma institución, pilotó un ornitóptero de propulsión humana llamado Snowbird . La aeronave, de 32 metros (105 pies) de envergadura y 42 kilogramos (93 libras), estaba construida 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 agitaban 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] Vuelos similares lanzados por remolque se realizaron en el pasado, pero la recopilación de datos mejorada verificó que el ornitóptero era capaz de volar por sí solo una vez en el aire. [18]
Debido a que los ornitópteros pueden ser diseñados para parecerse a pájaros o insectos, podrían utilizarse para aplicaciones militares, como el reconocimiento aéreo, sin alertar a los enemigos de que están siendo vigilados. Se han utilizado varios ornitópteros con cámaras de video a bordo, algunos de los cuales pueden flotar y maniobrar en espacios reducidos. En 2011, AeroVironment presentó un ornitóptero pilotado a distancia que se parecía a un gran colibrí para posibles misiones de espionaje.
Liderado por Paul B. MacCready (famoso por Gossamer Albatross ), AeroVironment desarrolló un modelo a media escala controlado por radio del pterosaurio gigante , Quetzalcoatlus northropi , para el Instituto Smithsonian a mediados de la década de 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 dependía de 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 Instituto de Investigación Tecnológica de Georgia, está desarrollando un músculo químico alternativo para su uso en aeronaves de ala batiente a escala microscópica. Michelson utiliza el término " entomóptero " para este tipo de ornitóptero. [22] SRI International está desarrollando músculos artificiales de polímero que también pueden utilizarse para el vuelo con alas batientes.
En 2002, Krister Wolff y Peter Nordin , de la Universidad Tecnológica de Chalmers , en Suecia, construyeron un robot con alas batientes que aprendió 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 desarrolló un comportamiento para una fuerza de sustentación sostenida máxima y un movimiento horizontal. [24]
Desde 2002, el profesor Theo van Holten ha estado trabajando en un ornitóptero que se construye como un helicóptero . El aparato se llama "ornitóptero" [25] y se construyó construyendo el rotor principal de tal manera que no tuviera par de reacción.
En 2008, el aeropuerto de Ámsterdam-Schiphol empezó a utilizar un halcón mecánico de aspecto realista diseñado por el cetrero Robert Musters. El pájaro robot controlado por radio se utiliza 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 dron y que superaría en rendimiento 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 hacer volar sus propios ornitópteros, que van desde modelos ligeros accionados por bandas elásticas hasta modelos más grandes con control remoto.
El modelo propulsado 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 de competencia avanzados son extremadamente delicados y desafiantes de construir. Roy White tiene el récord nacional de los Estados Unidos para aviones propulsados por bandas elásticas en interiores, con su tiempo de vuelo de 21 minutos, 44 segundos [ cita requerida ] .
Desde hace mucho tiempo se comercializan ornitópteros de juguete con banda elástica que vuelan libremente. 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 (fabricados por G de Ruymbeke, Francia, desde 1969).
Los diseños comerciales de control remoto por radio provienen de las gaviotas impulsadas por motor de Percival Spencer, desarrolladas alrededor de 1958, y del trabajo de Sean Kinkade desde fines de la década de 1990 hasta la actualidad. Las alas generalmente son impulsadas por un motor eléctrico. Muchos aficionados disfrutan experimentando con sus propios diseños y mecanismos de alas nuevos. La oportunidad de interactuar con pájaros reales en su propio dominio también agrega una gran diversión a este pasatiempo. Los pájaros suelen ser curiosos y seguirán o investigarán el modelo mientras está volando. En algunos casos, los pájaros RC han sido atacados por aves rapaces , cuervos e incluso gatos. Los modelos más recientes y más económicos, como el Dragonfly de WowWee, han ampliado el mercado de los aficionados dedicados al mercado de juguetes en general.
Algunos recursos útiles para 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 la construcción y el vuelo de estos modelos.
Los ornitópteros también despertaron interés como tema de uno de los eventos anteriores de la lista de eventos de la Olimpiada Científica de Estados Unidos . El evento ("Flying Bird") implicaba construir un ornitóptero autopropulsado según especificaciones exactas, y se otorgaban puntos por un alto tiempo de vuelo y bajo peso. También se otorgaban puntos extra si el ornitóptero se parecía a un pájaro real.
Como lo demuestran los pájaros, el aleteo ofrece ventajas potenciales en cuanto a maniobrabilidad y 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 los tamaños pequeños y las velocidades de vuelo bajas, [32] pero el desarrollo de una teoría aerodinámica integral para el aleteo sigue siendo un problema pendiente debido a la naturaleza compleja y no lineal de estos flujos de separación inestables. [33]
A diferencia de los aviones y helicópteros, los perfiles aerodinámicos impulsores del ornitóptero tienen un movimiento de aleteo u oscilación, en lugar de rotatorio. Al igual que en los helicópteros, las alas suelen tener una función combinada de proporcionar tanto sustentación como empuje. En teoría, el ala batiente se puede ajustar a un ángulo de ataque cero en la carrera ascendente, de modo que pasa fácilmente por el aire. Dado que normalmente los perfiles aerodinámicos batientes producen tanto sustentación como empuje, se minimizan las estructuras que inducen resistencia . Estas dos ventajas permiten potencialmente un alto grado de eficiencia. [ cita requerida ]
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 problemas de diseño de alas, sino muchos otros problemas relacionados con la fabricación de aeronaves seguras y confiables. Algunos de estos problemas, como la estabilidad, la capacidad de control y la durabilidad, son necesarios para todas las aeronaves. Aparecerán otros problemas específicos de los ornitópteros; la optimización del diseño de alas batientes es solo uno de ellos.
Un ornitóptero eficaz debe tener alas capaces de generar tanto empuje , la fuerza que impulsa la nave hacia adelante, como sustentación , la fuerza (perpendicular a la dirección de 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 concibió el uso del movimiento de aleteo para generar empuje y proporcionar el movimiento hacia adelante 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 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 propulsados por humanos de Lippisch (1929) y Emiel Hartman (1959), eran planeadores motorizados capaces, pero necesitaban un vehículo de remolque 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 similar a un pájaro en lugar de una máquina que copia directamente el método de vuelo de los pájaros. [35] [36] En la década de 1960 aparecieron ornitópteros no tripulados con motor de diversos tamaños capaces de alcanzar y mantener el vuelo, lo que proporcionó valiosos ejemplos reales de vuelo mecánico con alas. En 1991, Harris y DeLaurier volaron con éxito el primer ornitóptero pilotado a distancia con motor en Toronto (Canadá). En 1999, voló un ornitóptero pilotado basado en este diseño, capaz de despegar desde una superficie nivelada y ejecutar un vuelo sostenido. [35]
Las alas batientes de un ornitóptero y su movimiento a través del aire están diseñadas 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 se mantiene simple el mecanismo de accionamiento. En diseños de alas con el larguero suficientemente adelantado 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 que los ángulos de cabeceo se retrasan con respecto a los desplazamientos de caída en aproximadamente 90 grados). [37] Las alas batientes aumentan la resistencia y no son tan eficientes como las aeronaves propulsadas por hélice. Algunos diseños logran una mayor eficiencia aplicando más potencia en la carrera descendente que en la ascendente, como lo hacen la mayoría de las aves. [34]
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 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 es posible. Para minimizar la resistencia y mantener la forma deseada, la elección de un material para la superficie del ala también es importante. 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 se comportan como pájaros o murciélagos en vuelo. Por lo general, los pájaros 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 brindan un rendimiento óptimo de resistencia mínima para un coeficiente de sustentación único. [39]
Aunque los colibríes vuelan con las alas completamente extendidas, ese vuelo no es posible para un ornitóptero. Si el ala de un ornitóptero se extendiera completamente y se torciera y batiera con movimientos pequeños, causaría una pérdida de sustentación, y si se torciera y batiera con movimientos muy amplios, actuaría como un molino de viento, lo que provocaría 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 se probaron en un túnel de viento de baja velocidad midiendo el rendimiento aerodinámico, mostrando que cuanto mayor es la frecuencia del batido de las alas, 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 de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )No diría que esta 'Dune' coincide con la visión que tenía al leer el libro. Es mejor. Las imágenes superan mi imaginación: ¡esos ornitópteros!
