Japán kutatók a szitakötők mintájára készítenek repülőgépet

Hím óriás-szitakötő (Anax imperator). Fotó: Sámoly Attila

A Hirosimai Egyetem tudósai tanulmányozták a szitakötő szárnyakat, hogy jobban megértsék a kapcsolatot a hullámos szárny struktúra és az örvény között. Felfedezték, hogy a hullámos szárnyaknak nagyobb a felhajtóerejük, mint a sima szárnyaké. Munkájukat a Physical Review Fluids magazinban publikálták 2023. december 7-én. - írja a Hirosimai Egyetem honlapján.

A kutatók meghatározták, hogy egy szitakötő szárnyának hullámossága a titkos összetevője-e a felhajtóerő fokozásának. Korábbi kutatások főleg az az előre mozgás alatti szárny körüli egyenletes áramlást vizsgálták, a korrugált struktúrából származó örvények hatása a felhajtóerőre rejtély maradt.

A rovarok, például a szitakötők, kabócák, és méhek szárnyának felülete nem sima, mint egy utasszállító repülőgép szárnyai. A rovarok szárnyát idegek és membránok alkotják, és keresztmetszetük alakja csúcsokból (idegek) és szakaszokból (membránok) áll.

Az alak geometriája V alakú, vagy más alakú objektumok csatlakozásának tűnik.

Áramlási struktúra egy szitakötő szárnymodell körül. Egy hirtelen indítást követően a szárny légáramlása működésbe lép. A piros és a kék területek a pozitív és negatív örvényességet mutatják, az óramutató járásával ellentétes és az óramutató járásával megegyező áramlásokat. A görbék az áramvonalakat ábrázolják. Egy korrugált struktúra a belépőél közelében szétszakít egy meghatározó piros formációt, ami egy kulcsszereplő felhajtóerő erősítésben. Forrás: https://www.hiroshima-u.ac.jp/en/news/81348

Korábbi tanulmányok megmutatták, hogy a korrugált szárnyaknak, taréjaikkal és barázdáikkal, jobb az aerodinamikai teljesítményük, mint a kis Reynolds számú sima szárnyaké. A Reynolds szám az aerodinamikában egy olyan mennyiség, ami segít előre jelezni a folyadékok áramlási mintázatát. ( A Reynolds-számmal meghatározható vele, hogy egy adott átmérőjű csőben, meghatározott áramlási sebesség mellett az áramlás lamináris, turbulens, vagy átmeneti jellegű. A szerk megjegyzése.) A korábbi korrugált szárnyakon végzett aerodinamikai tanulmányok hozzájárultak a kis repülő robotok, drónok, és szélmalmok alkalmazásaihoz. Mivel a rovaroknak kis izomerejük van, bizonyos módon hullámos szárnyaik aerodinamikai előnyöket nyújtanak nekik. A tudósok mégsem értik teljesen a mechanizmus működését a komplex szárny szerkezet és áramlási karakterisztika miatt.

A kutatók közvetlen numerikus kalkulációkkal egy két dimenziós hullámos szárny körüli áramlást analizáltak és összehasonlították a hullámos szárny teljesítményét egy sima szárny teljesítményével. Tanulmányukban a belépőél örvény kezdeti generálása és a rákövetkező leválás előtti interakciók közötti periódusra fókuszáltak. Felfedezték, hogy a hullámos szárny teljesítménye jobb volt, amikor a támadási szög, az a szög, amelyen a szél találkozik a szárnnyal, nagyobb volt 30-foknál. A korrugált szárny egyenetlen szerkezete változó felhajtóerőt generál a komplex áramlási struktúrák és örvény mozgások miatt.

Hím óriás-szitakötő (Anax imperator). Fotó: Sámoly Attila Forrás: https://ng.24.hu/termeszet/2018/02/18/2018-ev-rovara-az-orias-szitakoto/

A kutatók felfedezték, hogy a különböző hullámos szerkezet által kiváltott egyedi légáramlás fellendülő felhajtóerőt gerjeszt. Ez mérföldkő az egyszerű lapszárny forgatókönyvtől.

A kutatók szerkesztettek egy kétdimenziós hullámos szárny modellt egy valós életből származó szitakötő szárnyat alkalmazva.

A modell: a belépőél oldalán mélyebb korrugált struktúra van és kevésbé mély, vagy simább szerkezetek vannak a kilépőél oldalán. Kétdimenziós modelljüket használva tovább egyszerűsítették a szárnymozgást és a változó felhajtóerő generálásra fókuszáltak a a többi átalakításával. A transzlációs mozgás (siklómozgás) a szárnymozgás egy fő komponense, az esés és rotáció mellett. A kutatók elemzése kiterjed nem stacionárius mechanizmusok megértésére, amit a szitakötők használnak a repülés során. A kutató csapat a tanulmányában kétdimenziós modelleket tekintett. Munkájuk azonban a rovar repülés aerodinamikájára fókuszált, ahol az áramlás általában háromdimenziós. Ha ezeket az eredményeket kiterjesztik egy háromdimenziós rendszerre, akkor arra számítanak, hogy több praktikus ismeretet szereznek rovarrepülésről és az iparban való alkalmazásáról.

Előre tekintve a kutatók a háromdimenziós modelleket fogják vizsgálni. A kétdimenziós hullámos szárnymodellel indították el a dolgokat. Most megvizsgálják a felhajtóerő fokozását szélesebb körű szárnyalakokkal és mozgásokkal. Végső céljuk hogy egy új, biológia inspirálta, nagy teljesítményű szárny megalkotása a felhajtóerő mechanizmusának fokozásával.

(Forrás: Hirosimai Egyetem: https://www.hiroshima-u.ac.)