Ornithopter

Schwingflüglerversuch von 1902

Ein Ornithopter (von altgr. ὄρνιθος πτερόν, dtsch. Vogelflügel) ist ein Schwingflügel-Flugzeug, das Auftrieb oder Vortrieb durch Bewegung der Tragflächen (Schlagflug) erzeugt. Eine Bedeutung hat der Ornithopter bisher nur im Bereich des Experimental- und Modellflugs erlangt. Gerade in den Anfängen der bemannten Luftfahrt wurden mit diesen Geräten verschiedene, meist jedoch wenig erfolgreiche Flugversuche durchgeführt.

Geschichte

Obwohl die biologischen Vorbilder - Vögel, Fledermäuse und Insekten - sich seit Millionen von Jahren mit Flügelschlägen, dem Schlagflug, in der Luft fortbewegen, sind die technischen Mechanismen dieser Bewegungsform noch nicht vollständig verstanden und daher auch nicht technisch einsetzbar.

„Kleiner Schlagflügelapparat“ von Otto Lilienthal, 1894, in der motorlosen Flugerprobung

Vor ca. 500 Jahren erforschte Leonardo da Vinci die Flugweise der Vögel und zeichnete den ersten Ornithopter. Erste erfolgreiche Ornithopter-Modelle demonstrierte der Franzose Gustave Trouvé im Jahr 1870 vor der Französischen Akademie der Wissenschaften. Andere Versuche sind von seinen Landsleuten Alphonse Penaud, Hureau de Villeneuve und Victor Tatin bekannt geworden. Um 1890 baute Lawrence Hargrave verschiedene Ornithopter-Modelle, angetrieben durch Dampf und Pressluft. Dabei kombinierte er kleine Schlagflügel mit einem größeren starren Flügel. Das gleiche Prinzip verfolgte Otto Lilienthal nach der Verwirklichung des Gleitfluges zur Weiterentwicklung seiner Flugleistungen. Dazu erprobte er leichte Kohlensäuremotoren. Sehr bekannt wurden auch die in den 1940er Jahren gebauten, frei fliegenden Vogelmodelle des deutschen Biologen Erich von Holst.

Die Faszination der komplexen Mechanik des Vogelflugs ist ungebrochen^[1]. Neben Versuchen zur Nachahmung des Flügelschlags bieten Details (Strömungbeeinflussung an den Flügelenden und auf der Flügeloberfläche) Anlass für bionische Forschungsthemen.

Die Technische Universität Delft erforscht im Programm DelFly^[2] kleine Ornithopter mit Kamera.

Die Firma Festo stellte 2011 mit dem SmartBird ein die Flugmechanik der Silbermöwe adaptierendes frei fliegendes Modell mit einer Flügelspannweite von zwei Metern vor.

Flugzeug und Flügelschlag

Ein wesentlicher Schritt auf dem Weg vom Vogelflug zur Flugmaschine, dem heutigen Flugzeug, bestand in der gedanklichen und technischen Trennung der Funktionen Auftrieb und Antrieb des Flügels. Dieser Schritt wird George Cayley zugeschrieben. Die Erforschung des Auftriebs durch Otto Lilienthal und andere führte zunächst zum motorlosen Flug, die Entwicklung geeigneter Antriebe zunächst zum Propeller (Gebrüder Wright). Als dritte Funktion übernimmt der Vogelflügel zum wesentlichen Teil die Steuerung des Fluges, wofür die Technik ebenfalls unabhängige Baugruppen oder Prinzipien entwickelte (Schwerkraftsteuerung, 3-Achssteuerung).

Wirkprinzip

Um einen Ornithopter zum Fliegen zu bringen, ist es notwendig, komplexe Bewegungsabläufe des Vogelflugs in Echtzeit zu reproduzieren. Die Aufgabe ist damit vergleichbar, einen gehenden, laufenden und springenden Roboter zu realisieren. Das Wirkprinzip ist eine gekoppelte Schlag-, Dreh- und Längsbewegung. Auftrieb und Vortrieb werden beim Ornithopter durch Auf- und Abschlag der Flügel erzeugt. Dabei kommt dem sogenannten Handbereich der Flügel eine besondere Bedeutung zu: Die Handbereiche werden beim Abschlag mit der Vorderkante nach vorne unten gedreht, beim Aufschlag zeigt die Vorderkante des Handbereiches nach oben. Damit hat der Handbereich der Flügel eine Funktion ähnlich einem Propeller. Das zusätzliche Anlegen der Flügel beim Aufschlag verkürzt den Hebelarm und minimiert auch das Schwingen des Rumpfes.

Nach neueren Forschungen kommt neben der aktiven Flügelbewegung den elastischen Eigenschaften des Flügels eine große Bedeutung zu ^[3].

ein von der Firma WowWee hergestellter ferngesteuerter Ornithopter

Entwurf eines Schwingflügel-Flugzeugs von Leonardo da Vinci, Briefmarke der DDR von 1990

Erwähnenswertes

Bekannt wurde der Ornithopter auch durch den Science-Fiction-Romanzyklus Dune von Frank Herbert, in dem diese Flugtechnik eingesetzt wird.

Die Firma WowWee setzt in ihrem ferngesteuerten „FlyTech Dragonfly“-Spielzeug diese Technik ein.

Quellenangaben

1. ↑ Die „Ornithopter Zone“ (engl)
2. ↑ DelFly.nl (engl./ned.) Beschreibung, Fotos und Videos
3. ↑ Forschung rund um das Thema „bewegte Tragflächen“

Weblinks

 Commons: Ornithopters – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Manntragender Ornithopter an der Universität Toronto
• Rund um das Thema "bewegte Tragflächen"
• Modellbau von Ornithoptern
• Ornithopter-Zone (englisch)
• Ornithopter Flugvideos
• OpenSource Flugsimulator FlightGear