Орнитоптеры: История и конструкция летательных аппаратов с машущими крыльями.

Введение

Самолеты, использующие взмахи крыльев для создания подъемной силы, род бабочек.

Орнитоптер (от греческого ornis, орнит — «птица» и pteron — «крыло») — это летательный аппарат, который летает, взмахивая крыльями. Конструкторы стремились имитировать взмахивающее крыло птиц, летучих мышей и насекомых. Хотя машины могут различаться по форме, они обычно строятся в масштабе, сопоставимом с размерами летающих животных. Были созданы и более крупные пилотируемые орнитоптеры, некоторые из которых оказались успешными. Пилотируемые орнитоптеры обычно приводятся в движение двигателями или силой мускулов пилота.

Ранняя история

Некоторые ранние попытки пилотируемого полёта могли быть направлены на достижение полёта с помощью взмахов крыльев, но, вероятно, на практике достигалось лишь планирование. К ним относятся предполагаемые полёты католического монаха XI века Эйльмера Малмсберийского (записанные в XII веке) и поэта IX века Аббаса ибн Фирнаса (записанные в XVII веке). Роджер Бэкон, писавший в 1260 году, также был одним из первых, кто рассматривал технологические средства для полёта. В 1485 году Леонардо да Винчи начал изучать полёт птиц. Он понял, что люди слишком тяжелы и недостаточно сильны, чтобы летать, просто прикрепив крылья к рукам. Поэтому он зарисовал устройство, в котором пилот лежит на доске и управляет двумя большими перепончатыми крыльями с помощью ручных рычагов, педалей и системы шкивов. В 1841 году кузнец-подмастерье Манойло, «прибывший в Белград из Воеводины», попытался летать с устройством, описанным как орнитоптер («взмахивающими крыльями, как у птицы»). Власти отказали ему в разрешении взлететь с колокольни собора Святого Михаила, и он тайно поднялся на крышу Думрукханы (главного управления по ввозу налогов) и взлетел, приземлившись в сугроб и выжив. Первые орнитоптеры, способные к полёту, были построены во Франции. Жобер в 1871 году использовал резиновую ленту для привода небольшой модели птицы. Альфонс Пено, Абель Хюро де Вильнёв и Виктор Татен также создавали резиномоторные орнитоптеры в 1870-х годах. Орнитоптер Татена, возможно, был первым, использовавшим активную торсионную деформацию крыльев, и, по-видимому, он послужил основой для коммерческой игрушки, предлагаемой Пишанкуром в 1889 году. Густав Труве первым использовал двигатель внутреннего сгорания, и его модель 1890 года пролетела 80 метров в демонстрации для Французской академии наук. Крылья приводились в движение пороховыми зарядами, активирующими трубку Бурдона. С 1884 года Лоуренс Харгрейв построил множество орнитоптеров, работавших на резиновых ремнях, пружинах, паре или сжатом воздухе. Он ввёл использование небольших взмахивающих крыльев, создающих тягу для большего фиксированного крыла; это новшество устранило необходимость в редукторе, тем самым упростив конструкцию. Э. П. Фрост строил орнитоптеры, начиная с 1870-х годов; первые модели приводились в действие паровыми двигателями, затем в 1900-х годах был построен аппарат с двигателем внутреннего сгорания, достаточно большой для человека, хотя он и не летал. В 1930-х годах Александр Липпиш и Национал-социалистический лётный корпус нацистской Германии построили и успешно испытали серию орнитоптеров с двигателем внутреннего сгорания, используя концепцию маленьких взмахивающих крыльев Харгрейва, но с аэродинамическими улучшениями, полученными в результате методического изучения. Эрих фон Хольст, также работавший в 1930-х годах, достиг большой эффективности и реализма в своей работе с орнитоптерами, работающими на резиновых лентах. Он добился, возможно, первого успеха орнитоптера с изгибающимся крылом, предназначенным для более точного имитирования движения крыльев птиц, хотя это и не было истинным крылом переменной стреловидности, как у птиц. Около 1960 года Персиваль Спенсер успешно испытал серию беспилотных орнитоптеров с двигателями внутреннего сгорания, имеющими рабочий объём и размах крыльев до 2 метров. В 1961 году Персиваль Спенсер и Джек Стивенсон совершили первый успешный полёт дистанционно управляемого орнитоптера с двигателем, известного как Spencer Orniplane. Orniplane имел размах крыльев, весил и приводился в движение двухтактным двигателем. Он имел бипланную конфигурацию, чтобы уменьшить колебания фюзеляжа.

Some early crewed flight attempts may have been intended to achieve flapping wing flight, but probably only a glide was actually achieved. They include the purported flights of the 11th century Catholic monk Eilmer of Malmesbury (recorded in the 12th century) and the 9th century poet Abbas Ibn Firnas (recorded in the 17th century). Roger Bacon, writing in 1260, was also among the first to consider a technological means of flight. In 1485, Leonardo da Vinci began to study the flight of birds. He grasped that humans are too heavy, and not strong enough, to fly using wings simply attached to the arms. He, therefore, sketched a device in which the aviator lies down on a plank and works two large, membranous wings using hand levers, foot pedals, and a system of pulleys. In 1841, an ironsmith kalfa (journeyman), Manojlo, who "came to Belgrade from Vojvodina", attempted flying with a device described as an ornithopter ("flapping wings like those of a bird"). Refused by the authorities a permit to take off from the belfry of Saint Michael's Cathedral, he clandestinely climbed to the rooftop of the Dumrukhana (import tax head office) and took off, landing in a heap of snow, and surviving. The first ornithopters capable of flight were constructed in France. Jobert in 1871 used a rubber band to power a small model bird. Alphonse Pénaud, Abel Hureau de Villeneuve, and Victor Tatin also made rubber powered ornithopters during the 1870s. Tatin's ornithopter was perhaps the first to use active torsion of the wings, and apparently it served as the basis for a commercial toy offered by Pichancourt 1889. Gustave Trouvé was the first to use internal combustion, and his 1890 model flew a distance of 80 meters in a demonstration for the French Academy of Sciences. The wings were flapped by gunpowder charges activating a Bourdon tube. From 1884 on, Lawrence Hargrave built scores of ornithopters powered by rubber bands, springs, steam, or compressed air. He introduced the use of small flapping wings providing the thrust for a larger fixed wing; this innovation eliminated the need for gear reduction, thereby simplifying the construction. E. P. Frost made ornithopters starting in the 1870s; first models were powered by steam engines, then in the 1900s, an internal combustion craft large enough for a person was built, though it did not fly. In the 1930s, Alexander Lippisch and the National Socialist Flyers Corps of Nazi Germany constructed and successfully flew a series of internal combustion powered ornithopters, using Hargrave's concept of small flapping wings, but with aerodynamic improvements resulting from the methodical study. Erich von Holst, also working in the 1930s, achieved great efficiency and realism in his work with ornithopters powered by rubber bands. He achieved perhaps the first success of an ornithopter with a bending wing, intended to imitate more closely the folding wing action of birds, although it was not a true variable span wing such as those of birds. Around 1960, Percival Spencer successfully flew a series of uncrewed ornithopters using internal combustion engines ranging from displacement, and having wingspans up to 8 feet (2 m). In 1961, Percival Spencer and Jack Stephenson flew the first successful engine powered, remotely piloted ornithopter, known as the Spencer Orniplane. The Orniplane had a wingspan, weighed , and was powered by a displacement two stroke engine. It had a biplane configuration, to reduce oscillation of the fuselage.

Полет с экипажем

Экипажные орнитоптеры делятся на две основные категории: приводимые в движение мускульной силой пилота (орнитоптеры с человеческим приводом) и приводимые в движение двигателем. Около 1894 года Отто Лилиенталь, пионер авиации, прославился в Германии своими широко известными и успешными полетами на планерах. Лилиенталь также изучал полет птиц и проводил связанные с этим эксперименты. Он построил орнитоптер, однако его полное развитие было прервано его преждевременной смертью 9 августа 1896 года в результате аварии на планере. В 1929 году орнитоптер, разработанный Александром Липпишем (конструктором Messerschmitt Me 163 Komet), пролетел расстояние в 5 км после запуска с помощью буксира. Поскольку использовался буксирный запуск, некоторые сомневаются в способности аппарата летать самостоятельно. Липпиш утверждал, что аппарат действительно летел, а не совершал длительное планирование. (Для разрешения этого вопроса потребовалось бы точное измерение высоты и скорости с течением времени.) Большинство последующих орнитоптеров с человеческим приводом также использовали буксирный запуск, а полеты были короткими из-за быстрого снижения силы человеческих мышц с течением времени. В 1942 году Адалберт Шмид совершил значительно более длительный полет на орнитоптере с человеческим приводом в Мюнхене-Лайме. Он пролетел расстояние в , поддерживая высоту в течение большей части полета. Позже этот же аппарат был оснащен двигателем мотоцикла Sachs. С двигателем он совершал полеты продолжительностью до 15 минут. Шмид позже построил орнитоптер, основанный на планере Grunau Baby IIa, который был испытан в 1947 году. Второй аппарат имел подвижные концевые секции крыльев. Французский инженер Рене Рио посвятил три десятилетия созданию орнитоптеров с машущими крыльями. В 1905 году он изобрел свои первые модели. В 1909 году он выиграл золотую медаль на конкурсе Lépine за уменьшенную модель. В 1913 году он работал над разработкой модели, заказанной пилотом, Dubois Riout. Испытания были остановлены в 1916 году. В 1937 году он завершил создание Riout 102T Alérion, безусловно, самого успешного пилотируемого орнитоптера с машущими крыльями до второго десятилетия XXI века. К сожалению, результаты испытаний в аэродинамической трубе не благоприятствовали продолжению проекта. В 2005 году Ив Руссо был удостоен диплома Пола Тиссандье, присуждаемого FAI за вклад в авиацию. Руссо предпринял свою первую попытку полета на орнитоптере с человеческим приводом и машущими крыльями в 1995 году. 20 апреля 2006 года, с 212-й попытки, ему удалось пролететь расстояние в 2,1 км, что было зафиксировано официальными лицами Aero Club de France. На 213-й попытке порыва ветра привела к разрушению крыла, в результате чего пилот получил серьезные травмы и стал парализованным. Команда Института аэрокосмических исследований Университета Торонто под руководством профессора Джеймса ДеЛаурие несколько лет работала над созданием пилотируемого орнитоптера с двигателем. В июле 2006 года на аэродроме Bombardier в Downsview Park в Торонто аппарат профессора ДеЛаурие, UTIAS Ornithopter No.1, совершил взлет с помощью реактивной установки и 14-секундный полет. По словам ДеЛаурие, реактивная установка была необходима для устойчивого полета, но основную работу выполняли машущие крылья. 2 августа 2010 года Тодд Райхерт из того же учреждения пилотировал орнитоптер с человеческим приводом под названием Snowbird. Аппарат с размахом крыльев , был построен из углеродного волокна, бальзы и пены. Пилот сидел в небольшой кабине, подвешенной под крыльями, и приводил в движение систему тросов, которые заставляли крылья двигаться вверх и вниз, нажимая ногами на штангу. После буксировки автомобилем он поднялся в воздух и продержался в полете почти 20 секунд. Прошлые полеты с буксировкой также проводились, но улучшенный сбор данных подтвердил, что орнитоптер способен к самостоятельному полету после взлета.

Crewed ornithopters fall into two general categories: Those powered by the muscular effort of the pilot (human powered ornithopters), and those powered by an engine. Around 1894, Otto Lilienthal, an aviation pioneer, became famous in Germany for his widely publicized and successful glider flights. Lilienthal also studied bird flight and conducted some related experiments. He constructed an ornithopter, although its complete development was prevented by his untimely death on 9 August 1896 in a glider accident. In 1929, a man powered ornithopter designed by Alexander Lippisch (designer of the Messerschmitt Me 163 Komet) flew a distance of after tow launch. Since a tow launch was used, some have questioned whether the aircraft was capable of flying on its own. Lippisch asserted that the aircraft was actually flying, not making an extended glide. (Precise measurement of altitude and velocity over time would be necessary to resolve this question.) Most of the subsequent human powered ornithopters likewise used a tow launch, and flights were brief simply because human muscle power diminishes rapidly over time. In 1942, Adalbert Schmid made a much longer flight of a human powered ornithopter at Munich Laim. It travelled a distance of , maintaining a height of throughout most of the flight. Later this same aircraft was fitted with a Sachs motorcycle engine. With the engine, it made flights up to 15 minutes in duration. Schmid later constructed a ornithopter, based on the Grunau Baby IIa sailplane, which was flown in 1947. The second aircraft had flapping outer wing panels. The French engineer René Riout devoted himself for three decades to the realization of flapping wing ornithopters. In 1905 he invented his first models. In 1909 he won the gold medal in the Lépine competition for a reduced model. In 1913 he worked on the development of a model ordered by a pilot, the Dubois Riout. The tests were stopped in 1916. In 1937, he finalized the Riout 102T Alérion, certainly the most successful piloted flapping wing ornithopter until the second decade of the 21st century. Unfortunately, the conclusions of the wind tunnel tests were not favorable to the continuation of the project. In 2005, Yves Rousseau was given the Paul Tissandier Diploma, awarded by the FAI for contributions to the field of aviation. Rousseau attempted his first human muscle powered flight with flapping wings in 1995. On 20 April 2006, at his 212th attempt, he succeeded in flying a distance of , observed by officials of the Aero Club de France. On his 213th flight attempt, a gust of wind led to a wing breaking up, causing the pilot to be gravely injured and rendered paraplegic. A team at the University of Toronto Institute for Aerospace Studies, headed by Professor James DeLaurier, worked for several years on an engine powered, piloted ornithopter. In July 2006, at the Bombardier Airfield at Downsview Park in Toronto, Professor DeLaurier's machine, the UTIAS Ornithopter No.1 made a jet assisted takeoff and 14 second flight. According to DeLaurier, the jet was necessary for sustained flight, but the flapping wings did most of the work. On August 2, 2010, Todd Reichert of the same institution piloted a human powered ornithopter named Snowbird. The wingspan, aircraft was constructed from carbon fibre, balsa, and foam. The pilot sat in a small cockpit suspended below the wings and pumped a bar with his feet to operate a system of wires that flapped the wings up and down. Towed by a car until airborne, it then sustained flight for almost 20 seconds. It flew with an average speed of Similar tow launched flights were made in the past, but improved data collection verified that the ornithopter was capable of self powered flight once aloft.

Применение для беспилотных орнитоптеров

В практическом применении используется сходство с птицами или насекомыми. Служба охраны дикой природы штата Колорадо использовала эти машины для спасения находящегося под угрозой исчезновения тетерева Гуннисона. Искусственный ястреб, управляемый оператором, заставляет тетеревов оставаться на земле, чтобы их можно было отловить для изучения. Поскольку орнитоптеры могут быть изготовлены в виде птиц или насекомых, они могут использоваться в военных целях, таких как воздушная разведка, не предупреждая противника о том, что за ним ведется наблюдение. Несколько орнитоптеров были оснащены видеокамерами, некоторые из которых способны зависать в воздухе и маневрировать в ограниченном пространстве. В 2011 году компания AeroVironment продемонстрировала дистанционно управляемый орнитоптер, напоминающий колибри, для потенциальных разведывательных операций. Под руководством Пола Б. МакКреди (известного благодаря "Gossamer Albatross"), компания AeroVironment разработала полумасштабную радиоуправляемую модель гигантского птерозавра Кетсалькоатля Нортропи для Смитсоновского института в середине 1980-х годов. Модель была создана для съемок в фильме IMAX "На крыле". Модель имела размах крыльев и оснащена сложной компьютерной системой управления автопилотом, подобно тому, как полноразмерный птерозавр полагался на свою нервно-мышечную систему для постоянной корректировки полета. Исследователи надеются отказаться от двигателей и шестерен существующих конструкций, более точно имитируя мышцы животных, обеспечивающие полет. Роберт Микельсон из Исследовательского института Технологического университета Джорджии разрабатывает химический "мышцу" для использования в микромасштабных летательных аппаратах с машущими крыльями. Микельсон использует термин "энтомоптер" для обозначения этого типа орнитоптера. SRI International разрабатывает полимерные искусственные мышцы, которые также могут быть использованы для полета с машущими крыльями. В 2002 году Кристер Вольф и Петер Нордин из Технологического университета Чалмерса в Швеции создали робота с машущими крыльями, который научился летать. Конструкция из бальзового дерева управлялась программным обеспечением машинного обучения, известным как алгоритм линейной эволюции в стационарном состоянии. Вдохновленное естественной эволюцией, программное обеспечение "эволюционирует" в ответ на обратную связь о том, насколько хорошо оно выполняет поставленную задачу. Несмотря на то, что их орнитоптер был ограничен лабораторным оборудованием, он выработал поведение для обеспечения максимальной устойчивой подъемной силы и горизонтального движения. С 2002 года профессор Тео ван Холтен работает над орнитоптером, конструкция которого аналогична вертолету. Устройство называется "орникоптер" и было создано путем конструирования несущего винта таким образом, чтобы он не создавал реактивного момента. В 2008 году аэропорт Амстердама Схипхол начал использовать реалистичного механического ястреба, разработанного соколовником Робертом Мустерсом. Радиоуправляемая робоптица используется для отпугивания птиц, которые могут повредить двигатели самолетов. В 2012 году компания RoBird (ранее Clear Flight Solutions), выделенная из Университета Твенте, начала производство искусственных хищных птиц (под названием RoBird®) для аэропортов, сельского хозяйства и предприятий по переработке отходов. Адриан Томас и Алекс Качча основали Animal Dynamics Ltd в 2015 году для разработки механического аналога стрекозы, который будет использоваться в качестве дрона, превосходящего квадрокоптеры. Работа финансируется Лабораторией оборонных наук и технологий, исследовательским подразделением Министерства обороны Великобритании, и ВВС США.

Practical applications capitalize on the resemblance to birds or insects. Colorado Parks and Wildlife has used these machines to help save the endangered Gunnison sage grouse. An artificial hawk under the control of an operator causes the grouse to remain on the ground so they can be captured for study. Because ornithopters can be made to resemble birds or insects, they could be used for military applications such as aerial reconnaissance without alerting the enemies that they are under surveillance. Several ornithopters have been flown with video cameras on board, some of which can hover and maneuver in small spaces. In 2011, AeroVironment demonstrated a remotely piloted ornithopter resembling a large hummingbird for possible spy missions. Led by Paul B. MacCready (of Gossamer Albatross fame), AeroVironment developed a half scale radio controlled model of the giant pterosaur, Quetzalcoatlus northropi, for the Smithsonian Institution in the mid 1980s. It was built to star in the IMAX movie On the Wing. The model had a wingspan and featured a complex computerized autopilot control system, just as the full sized pterosaur relied on its neuromuscular system to make constant adjustments in flight. Researchers hope to eliminate the motors and gears of current designs by more closely imitating animal flight muscles. Georgia Tech Research Institute's Robert C. Michelson is developing a reciprocating chemical muscle for use in microscale flapping wing aircraft. Michelson uses the term "entomopter" for this type of ornithopter. SRI International is developing polymer artificial muscles that may also be used for flapping wing flight. In 2002, Krister Wolff and Peter Nordin of Chalmers University of Technology in Sweden, built a flapping wing robot that learned flight techniques. The balsa wood design was driven by machine learning software technology known as a steady state linear evolutionary algorithm. Inspired by natural evolution, the software "evolves" in response to feedback on how well it performs a given task. Although confined to a laboratory apparatus, their ornithopter evolved behavior for maximum sustained lift force and horizontal movement. Since 2002, Prof. Theo van Holten has been working on an ornithopter that is constructed like a helicopter. The device is called the "ornicopter" and was made by constructing the main rotor so that it would have no reaction torque. In 2008, Amsterdam Airport Schiphol started using a realistic looking mechanical hawk designed by falconer Robert Musters. The radio controlled robot bird is used to scare away birds that could damage the engines of airplanes. In 2012, RoBird (formerly Clear Flight Solutions), a spin off of the University of Twente, started making artificial birds of prey (called RoBird®) for airports and agricultural and waste management industries. Adrian Thomas and Alex Caccia founded Animal Dynamics Ltd in 2015, to develop a mechanical analogue of dragonflies to be used as a drone that will outperform quadcopters. The work is funded by the Defence Science and Technology Laboratory, the research arm of the British Ministry of Defence, and the United States Air Force.

Хоби

Любители могут строить и запускать собственные орнитоптеры. Они варьируются от легких моделей, приводимых в движение резиновыми лентами, до более крупных моделей с радиоуправлением. Модель с резиномотором может быть довольно простой в конструкции и сборке. Любители соревнуются за самое длительное время полета с этими моделями. Начальная модель может быть довольно простой в проектировании и сборке, но продвинутые соревновательные конструкции чрезвычайно деликатны и сложны в изготовлении. Рой Уайт является национальным рекордсменом США в категории "орнитоптер с резиномотором для полетов в помещении", с результатом 21 минута 44 секунды. Коммерческие игрушечные орнитоптеры с резиномотором давно доступны. Первый из них был продан под названием Tim Bird в Париже в 1879 году. Позднее модели также продавались как Tim Bird (производятся G de Ruymbeke, Франция, с 1969 года). Коммерческие радиоуправляемые модели берут начало от двигателеуправляемых Seagulls Персиваля Спенсера, разработанных примерно в 1958 году, и работ Шона Кинкейда с конца 1990-х годов и по настоящее время. Крылья обычно приводятся в движение электродвигателем. Многие любители экспериментируют с новыми конструкциями крыльев и механизмами. Возможность взаимодействовать с настоящими птицами в их естественной среде также доставляет большое удовольствие от этого хобби. Птицы часто проявляют любопытство и следуют за моделью или исследуют ее во время полета. В некоторых случаях на радиоуправляемых орнитоптеров нападали хищные птицы, вороны и даже кошки. Более поздние и доступные модели, такие как Dragonfly от WowWee, расширили рынок от преданных своему делу любителей до широкого рынка игрушек. Полезные ресурсы для любителей включают в себя "Руководство по проектированию орнитоптеров" – книгу Натана Кронистера, и веб-сайт The Ornithopter Zone, содержащий большой объем информации о создании и полетах этих моделей. Орнитоптеры также представляли интерес как тема одного из бывших заданий в американской общенациональной Научной олимпиаде. Задание ("Летающая птица") заключалось в создании самоходного орнитоптера, соответствующего строгим требованиям, при этом баллы начислялись за длительное время полета и малый вес. Дополнительные баллы присуждались, если орнитоптер был похож на настоящую птицу.

Hobbyists can build and fly their own ornithopters. These range from light weight models powered by rubber bands, to larger models with radio control. The rubber band powered model can be fairly simple in design and construction. Hobbyists compete for the longest flight times with these models. An introductory model can be fairly simple in design and construction, but the advanced competition designs are extremely delicate and challenging to build. Roy White holds the United States national record for indoor rubber powered, with his flight time of 21 minutes, 44 seconds. Commercial free flight rubber band powered toy ornithopters have long been available. The first of these was sold under the name Tim Bird in Paris in 1879. Later models were also sold as Tim Bird (made by G de Ruymbeke, France, since 1969). Commercial radio controlled designs stem from Percival Spencer's engine powered Seagulls, developed circa 1958, and Sean Kinkade's work in the late 1990s to present day. The wings are usually driven by an electric motor. Many hobbyists enjoy experimenting with their own new wing designs and mechanisms. The opportunity to interact with real birds in their own domain also adds great enjoyment to this hobby. Birds are often curious and will follow or investigate the model while it is flying. In a few cases, RC birds have been attacked by birds of prey, crows, and even cats. More recent cheaper models such as the Dragonfly from WowWee have extended the market from dedicated hobbyists to the general toy market. Some helpful resources for hobbyists include The Ornithopter Design Manual, book written by Nathan Chronister, and The Ornithopter Zone web site, which includes a large amount of information about building and flying these models. Ornithopters were also of interest as the subject of one of the former events in the American nationwide Science Olympiad event list. The event ("Flying Bird") entailed building a self propelled ornithopter to exacting specifications, with points awarded for high flight time and low weight. Bonus points were also awarded if the ornithopter happened to look like a real bird.

Аэродинамика

Как показали птицы, машущие крылья обеспечивают потенциальные преимущества в маневренности и экономии энергии по сравнению с самолетами с неподвижным крылом, а также возможность вертикального взлета и посадки. Предполагается, что эти преимущества наиболее выражены при малых размерах и низких скоростях полета, однако разработка всесторонней аэродинамической теории для машущего полета остается нерешенной проблемой из-за сложного нелинейного характера таких неустойчивых отрывных потоков. В отличие от самолетов и вертолетов, несущие поверхности орнитоптера совершают колебательное движение, а не вращательное. Как и в случае с вертолетами, крылья обычно выполняют комбинированную функцию создания подъемной силы и тяги. Теоретически, при движении вверх крыло можно установить под нулевым углом атаки, чтобы оно легко проходило сквозь воздух. Поскольку машущие крылья обычно создают как подъемную силу, так и тягу, конструкции, вызывающие сопротивление, минимизируются. Эти два преимущества потенциально обеспечивают высокую эффективность.

Конструкция крыла

Если в будущем экипажные моторизованные орнитоптеры перестанут быть «экзотическими», воображаемыми, нереальными летательными аппаратами и начнут служить людям как младшие члены семейства самолетов, конструкторам и инженерам придется решать не только проблемы конструкции крыльев, но и множество других задач, связанных с обеспечением их безопасности и надежности. Некоторые из этих задач, такие как стабильность, управляемость и долговечность, необходимы для всех самолетов. Появятся и другие проблемы, специфичные для орнитоптеров; оптимизация конструкции машущего крыла – лишь одна из них. Эффективный орнитоптер должен иметь крылья, способные создавать как тягу – силу, приводящую аппарат в движение вперед, так и подъемную силу – силу (перпендикулярную направлению полета), удерживающую аппарат в воздухе. Эти силы должны быть достаточно велики, чтобы противодействовать сопротивлению воздуха и весу аппарата. Конструкции орнитоптеров Леонардо были вдохновлены его изучением птиц и идеей использования взмахов крыльев для создания тяги и обеспечения движения вперед, необходимого для аэродинамического подъема. Однако, используя материалы, доступные в то время, аппарат был бы слишком тяжелым и требовал бы слишком много энергии для создания достаточной подъемной силы или тяги для полета. Альфонс Пено предложил идею орнитоптера с двигателем в 1874 году. Его конструкция обладала ограниченной мощностью и была неуправляемой, из-за чего превратилась в игрушку для детей. В 1960-х годах появились беспилотные орнитоптеры различных размеров, способные достигать и поддерживать полет, предоставив ценные реальные примеры механического крылатого полета. В 1991 году Харрис и ДеЛауриер совершили первый успешный полет дистанционно управляемого орнитоптера с двигателем в Торонто, Канада. В 1999 году был испытан пилотируемый орнитоптер, основанный на этой конструкции, способный взлетать с ровной поверхности и выполнять устойчивый полет. Машущие крылья увеличивают сопротивление воздуха и менее эффективны, чем самолеты с винтовым двигателем. Некоторые конструкции достигают повышенной эффективности, прилагая больше мощности при движении вниз, чем при движении вверх, как это делают большинство птиц. Для достижения необходимой гибкости и минимального веса инженеры и исследователи экспериментировали с крыльями, требующими использования углеродного волокна, фанеры, ткани и ребер жесткости с прочной кромкой. Любая масса, расположенная позади хвостового оперения, снижает эффективность крыла, поэтому там, где это возможно, используются легкие материалы и пустое пространство. Для минимизации сопротивления и сохранения желаемой формы также важен выбор материала для поверхности крыла. В экспериментах ДеЛаурие гладкая аэродинамическая поверхность с двухсторонним профилем более эффективно создает подъемную силу, чем односторонняя. Другие орнитоптеры не обязательно имитируют полет птиц или летучих мышей. Обычно птицы и летучие мыши имеют тонкие и изогнутые крылья для создания подъемной силы и тяги. Орнитоптеры с более тонкими крыльями имеют ограниченный угол атаки, но обеспечивают оптимальные минимальные аэродинамические характеристики при заданном коэффициенте подъемной силы. Хотя колибри летают с полностью раскрытыми крыльями, такой полет невозможен для орнитоптера. Если бы крыло орнитоптера полностью раскрывалось, скручивалось и совершало небольшие движения, это привело бы к сваливанию, а если бы оно скручивалось и совершало большие движения, оно действовало бы как ветряная мельница, создавая неэффективную ситуацию полета. Команда инженеров и исследователей под названием "Fullwing" создала орнитоптер со средней подъемной силой более 3,6 кг, средней тягой 0,4 кг и эффективностью движения 54%. Крылья были испытаны в аэродинамической трубе с низкой скоростью потока, что показало, что чем выше частота взмахов крыльев, тем выше средняя тяга орнитоптера.

If future crewed motorized ornithopters cease to be "exotic", imaginary, unreal aircraft and start to serve humans as junior members of the aircraft family, designers and engineers will need to solve not only wing design problems but many other problems involved in making them safe and reliable aircraft. Some of these problems, such as stability, controllability, and durability, are necessary for all aircraft. Other problems specific to ornithopters will appear; optimizing flapping wing design is only one of them. An effective ornithopter must have wings capable of generating both thrust, the force that propels the craft forward, and lift, the force (perpendicular to the direction of flight) that keeps the craft airborne. These forces must be strong enough to counter the effects of drag and the weight of the craft. Leonardo's ornithopter designs were inspired by his study of birds, and conceived the use of flapping motion to generate thrust and provide the forward motion necessary for aerodynamic lift. However, using materials available at that time the craft would be too heavy and require too much energy to produce sufficient lift or thrust for flight. Alphonse Pénaud introduced the idea of a powered ornithopter in 1874. His design had limited power and was uncontrollable, causing it to be transformed into a toy for children. The 1960s saw powered uncrewed ornithopters of various sizes capable of achieving and sustaining flight, providing valuable real world examples of mechanical winged flight. In 1991, Harris and DeLaurier flew the first successful engine powered remotely piloted ornithopter in Toronto, Canada. In 1999, a piloted ornithopter based on this design flew, capable of taking off from level pavement and executing sustained flight. Flapping wings increase drag and are not as efficient as propeller powered aircraft. Some designs achieve increased efficiency by applying more power on the down stroke than on the upstroke, as do most birds. In order to achieve the desired flexibility and minimum weight, engineers and researchers have experimented with wings that require carbon fiber, plywood, fabric, and ribs, with a stiff, strong trailing edge. Any mass located aft of the empennage reduces the wing's performance, so lightweight materials and empty space are used where possible. To minimize drag and maintain the desired shape, choice of a material for the wing surface is also important. In DeLaurier's experiments, a smooth aerodynamic surface with a double surface airfoil is more efficient at producing lift than a single surface airfoil. Other ornithopters do not necessarily act like birds or bats in flight. Typically birds and bats have thin and cambered wings to produce lift and thrust. Ornithopters with thinner wings have a limited angle of attack but provide optimum minimum drag performance for a single lift coefficient. Although hummingbirds fly with fully extended wings, such flight is not feasible for an ornithopter. If an ornithopter wing were to fully extend and twist and flap in small movements it would cause a stall, and if it were to twist and flap in very large motions, it would act like a windmill causing an inefficient flying situation. A team of engineers and researchers called "Fullwing" has created an ornithopter that has an average lift of over 8 pounds, an average thrust of 0.88 pounds, and a propulsive efficiency of 54%. The wings were tested in a low speed wind tunnel measuring the aerodynamic performance, showing that the higher the frequency of the wing beat, the higher the average thrust of the ornithopter.

В художественной литературе

Орнитоптеры неоднократно появлялись в художественной литературе, в том числе в серии романов Фрэнка Герберта «Дюна», где они являются основным видом воздушного транспорта, используемым Домом Атреидов в пустынном климате планеты Арракис.