Les ailes d'oiseau : une source d'inspiration pour l'avenir



L'imitation du vol animal -et tout particulièrement celui de l'oiseau- à l'échelle humaine représente un défi incontournable pour l'aviation moderne. De nombreux domaines de l'aéronautique sont en effet concernés : la réduction du bruit, l'amélioration des performances, la conception des drônes, l'automatisation de l'aviation ou même la recherche de nouveaux modes de sustentation dans l'air doivent prendre en compte les solutions déjà présentes dans la nature pour les adapter aux technologies existantes. Les découvertes récentes faites dans les secteurs de l'électronique, des nouveaux matériaux et de l'aérodynamique ouvrent la voie à une imitation toujours plus fidèle -et performante- du vol animal.

Le cadre de notre T.P.E. nous oblige à restreindre le biomimétisme aux ailes d'avion. C'est pourtant un sujet passionant, qui mérite des recherches plus approfondies. Nous vous proposons donc une sélection de documents en rapport avec ce thème :
- http://www.onera.fr
- http://www.isir.upmc.fr/
- http://www.flyintelligence.com/
Avec notamment une interview très intéressante sur le biomimétisme à cette adresse :  
- http://quimboiseur.over-blog.com/70-categorie-809786.html 
Et une interview sur le futur de l'aviation, les liens entre nature et matériaux, à cette adresse :
-
http://www.departure2093.com/en/video_interviews/roesner/?id=43

Les drônes concentrent  actuellement la majeure partie des innovations liées à l'aviation. Leurs conceptions préfigurent celles des futurs avions : ce sont souvent des prototypes expérimentant de nouvelles technologies, et devant s'adapter à des contraintes nouvelles. La réalisation de prototypes à l'échelle humaine, très onéreuse, soulevant trop de problèmes techniques et ne permettant donc pas aux programmes de recherche une application concrète de leurs études, est en effet souvent abandonnée au profit de celle de drônes, de taille réduite.

"Drône : aéronef (appareil capable d'évoluer au sein de l'atmosphère terrestre) inhabité, piloté à distance, semi-autonome ou autonome, susceptible d’emporter différentes charges utiles le rendant capable d’effectuer des tâches spécifiques pendant une durée de vol pouvant varier en fonction de ses capacités."

Techno-science.net

  • Quelques prototypes de drônes à ailes battantes (ornithoptères)
1. projet de Rick Lind et de Mujahid Abdulrahim, université de Floride

Rick Lind, professeur assistant de l'université de Floride spécialisé dans l'ingénierie aérospatiale et mécanique, ainsi que Mujahid Abdulrahim, élève en doctorat, ont conçu ce prototype en s'inspirant du vol animal, et plus particulièrement de celui de la mouette.

L'objectif du projet est d'élaborer un appareil suffisamment agile pour se mouvoir dans les villes, capable d'effectuer des virages secs ou des plongeons. Pour obtenir un pareil résultat, la forme du drône doit pouvoir être modifiée au cours du vol. Rick Lind et Mujahid Abdulrahim ont donc opté pour des ailes de forme variable, capables de s'adapter aux différents types de mouvements.

Il est à noter que les ailes n'ont, comme pour un avion classique, qu'une fonction de sustentation. La fonction motrice est assurée par une hélice située à l'avant du drône, à l'inverse des oiseaux qui utilisent pour cela leurs ailes.

Rick Lind et son prototype. Crédit : Kristen Bartlett, Université de Floride

Le drône a été inspiré par l'étude des mouettes et de leur capacité à fléchir l'épaule et le coude pour améliorer leurs performances de vol. Les deux créateurs ont ainsi constaté l'influence de la forme de l'aile sur le vol :
- lorsque les coudes sont droits (envergure maximale), l'avion plane (pas de forces motrices, ou alors minimales) correctement
- lorsque les coudes sont orientés vers le bas, l'avion perd en stabilité mais devient plus manoeuvrable.
- lorsque les coudes sont orientés vers le haut, l'avion est dans des conditions optimales pour l'atterrissage.

Il faut 12 secondes aux moteurs situés dans les articulations pour réaliser la gamme complète des mouvements de l'aile. Le drône devient ainsi nettement plus agile que les avions classiques : un F-16 par exemple ne peut effectuer qu'un tonneau par seconde, alors que ce prototype peut en faire trois.

Les ailes sont réalisées dans un matériau composite très solide, lui aussi inspiré par le biomimétisme (on retrouve des matériaux similaires chez le crocodile par exemple).

Une application à l'échelle humaine n'est pas pour le moment prioritaire : les ingénieurs vont tout d'abord s'efforcer de rendre ce drône autonome (sans contrôle par un pilote humain). Celui-ci ouvre malgré tout une nouvelle voie à l'aéronautique, permettant la réalisation d'appareils plus performants.

Pour en savoir plus sur ce projet, voici un article de l'université de Floride qui lui est consacré :
http://news.ufl.edu/2005/08/23/morphing-planes/


2. projet Remanta

Il s'agit d'un projet de l'ONERA (Office National d'Etudes et de Recherches Aéronautiques), dont l'objectif est d'améliorer les connaissances actuelles en mécanique du vol, contrôle et commande, aérodynamique, matériaux et structure.

Dans l'optique du projet, il ne s'agit pas de réaliser un prototype de démonstration, mais plutôt d'aboutir à des avancées techniques et technologiques concernant les microvéhicules aériens.

L'un des domaines de recherche importants de ce projet est la mécanique du vol des drônes à ailes battantes. L'approche proposée par l'onera est différente de celle de Rick Lind : les ailes, en plus de leur fonction de sustentation, devrait aussi assurer la fonction motrice du drône.

Afin d'établir un modèle de vol à ailes battantes, l'ONERA collabore avec des laboratoires de micro-biologie pour observer les insectes et comprendre leur vol.

Voici une très belle video de présentation du projet Remanta réalisée par l'onera. Vous y trouverez les enjeux et les technologies mises en oeuvre dans la réalisation des micro-drônes.
Vous trouverez également des informations complémentaires à cette adresse : http://www.onera.fr/, car là encore notre sujet doit se restreindre aux ailes...

  • Autres domaines de recherche
Le futur de l'aviation repose aussi dans une spécialisation des types d'ailes en fonction de leur emploi. Déjà amorcée, cette évolution tend à s'accélerer, puisqu'elle permet d'accroître les performances (notamment énergétiques) des avions. Les différentes catégories d'ailes, ainsi que les types de vol qui leur sont associés, ont été détaillées dans la rubrique "Ailes d'avion et ailes d'oiseau : des structures semblables".
 
Le type de vol et la forme de l'aile sont étroitement liés chez l'oiseau. Pour l'avion, les avancées techniques récentes vont dans ce sens. Le constant raprochement du vol animal et du vol mécanique permet d'anticiper le futur de l'aviation. A cet égard, l'étude du vol de l'oiseau est instructive, puisque celui-ci fait preuve d'une plus grande adresse que l'avion dans les airs.


Frédéric Bérard, Edouard Findling

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