Ornitoptery, czyli odwieczne marzenie ludzi, by latać jak ptaki

To jeden z najbardziej charakterystycznych obrazków z “Diuny" Denisa Villeneuva. Smukłe, agresywne maszyny pędzą nad pustynią jak Apacze nad irackimi pustkowiami. Ale to nie śmigłowce. Bojowe pojazdy latające Atrydów latają dzięki trzepoczącym skrzydłom przypominającym skrzydła ważek.

To ornitoptery - pojazdy naśladujące w swoim sposobie poruszania się najdoskonalszych ziemskich lotników - ptaki i owady. To one były pierwszymi cięższymi od powietrza pojazdami, na których ludzkość próbowała podbić przestworza. I mimo stuleci niepowodzeń wciąż mogą okazać się maszynami przyszłości. Przynajmniej w niektórych, bardzo wymagających zastosowaniach.

Pierwszymi, którzy wzbili się w powietrze dzięki urządzeniom naśladującym ptasie skrzydła mieli być Dedal i Ikar. Ale opis ich mitycznego lotu mógł mieć historyczne podstawy. Według rzymskiego pisarza Aulusa Gelliusza, około 400 r. p.ne. Archytas z Tarentu miał zbudować drewnianego ptaka, który dzięki parowemu napędowi miał przelecieć o własnych siłach około 200 metrów.

Przez kolejne stulecia marzenia o locie kończyły się zazwyczaj tak, jak lot Ikara. Niezliczeni śmiałkowie przypinali sobie “ptasie" skrzydła i próbowali sił w przestworzach. Pierwsze zapiski o takich lotach - i katastrofach - pochodzą już z 60 r. ne. Nie wszystkie jednak kończyły się zupełną klęską.  Niejaki Eilmer, mnich benedyktyński z angielskiego opactwa Malrnesbury, miał pokonać lotem szybowym po skoku z wieży około 200 jardów. Przeżył, choć został poważnie pokiereszowany po mniej, niż udanym lądowaniu.

Inny angielski mnich, Roger Bacon, którego traktaty są fundamentami współczesnej metody naukowej, marzył o czymś więcej, niż prostym szybowaniu. Już w XIII w. zaproponował maszynę napędzaną przez “sztuczne skrzydła bijące powietrze". Jego pomysł mógł być inspiracją dla innego geniusza: około 1486 roku Leonardo da Vinci jako pierwszy stworzył plany prawdziwego ornitoptera: jego maszyna, naszkicowana w zeszycie, nie była prostymi skrzydłami przypinanymi do pleców śmiałka. Zamiast tego inżynier wyobraził sobie urządzenie, w którym skrzydła, zamocowane ponad “kadłubem" były poruszane dzięki złożonemu systemowi przekładni.

Ale musiało minąć czterysta lat, zanim ktokolwiek podjął się faktycznego stworzenia podobnej maszyny. Jean Marie le Bris, francuski kapitan morski, zbudował dwa ornitoptery w latach 1855-1868. Wyrafinowane urządzenia miały podobne do łodzi jak kadłuby i duże skrzydła pokryte flanelą, poruszane przez pilota za pomocą szeregu dźwigni i bloczków. Żadna z maszyn nie wzbiła się jednak w powietrze. Obie zostały uszkodzone w wypadkach podczas prób holowania ich przez konie w celu uzyskania odpowiedniej do startu prędkości. Inny naśladowca da Vinciego skończył gorzej. Belg Vincent de Groof zbudował ornitopter bliźniaczo podobny do maszyny wymyślonej przez genialnego Włocha, z operatorem stojącym pod trzepoczącymi skrzydłami i napędzającym je za pomocą dźwigni. Inżynier nie zdołał przekonać swoich ojczystych władz do pomysłu, zabrał więc w 1874 r. swoją maszynę do Anglii. Tam podpiął ją do balonu. Kiedy pojazd został wyniesiony na odpowiednią wysokość, przeciął linę, po czym runął na ziemię wraz ze swoim wynalazkiem i zginął na miejscu.

Wydawałoby się, że taka seria niepowodzeń raz na zawsze pogrzebie pomysły na budowanie ornitopterów zwłaszcza, że wkrótce na niebie zaczęły pojawiać się pierwsze samoloty. Ale pomysł nie umarł.

Badania prowadzone na ptakach wykazały, że ich metoda latania ma wiele zalet w porównaniu z nawet najnowocześniejszymi odrzutowcami i śmigłowcami. Trzepoczące skrzydła dają zwierzętom zwrotność o jakiej nasze mechaniczne latadła mogą tylko pomarzyć. Ale to nie wszystko, bo ich lot jest także bardziej efektywny energetycznie. Te przewagi są najprawdopodobniej największe przy stosunkowo niewielkich rozmiarach i niskich prędkościach lotu, ale wciąż brakuje nam dobrej teorii aerodynamicznej opisującej ptasi i owadzi lot - przepływy powietrza wokół elastycznych, poruszających się skrzydeł są po prostu nieziemsko skomplikowane i niezwykle trudne do modelowania.

Budowa ornitopterów okazała się jednak niezwykle trudna z kilku zasadniczych powodów. Po pierwsze, brakowało nam odpowiednich materiałów. Ciała ptaków i owadów są pod każdym względem zoptymalizowane pod kątem latania. Są mocne, ale ekstremalnie lekkie. Przystosowania do lotu takie, jak puste w środku ptasie kości do niedawna nie dawały się łatwo odtworzyć ludzkim inżynierom. Próby budowania onitopterów z żelaza i drewna były z góry skazane na porażkę.

Brakowało też długo odpowiedniego źródła napędu. Mimo licznych prób jasne stało się, że stworzenie ornitoptera napędzanego siłą ludzkich mięśni to zadanie ekstremalnie trudne - tym trudniejsze, że wykonane z prymitywnych materiałów maszyny były dużo za ciężkie, by mógł je poruszyć nawet najbardziej wysportowany pilot.

Oba te problemy znalazły wreszcie rozwiązanie - ale dokładnie w momencie, w którym mogliśmy doczekać się pierwszych prawdziwych ornitopterów, wysiłki ich twórców przekreśliła globalna tragedia.

Tuż przed II Wojną Światową zaawansowane prace nad ornitopterami prowadziło dwóch inżynierów, którzy wkrótce mieli znaleźć się po przeciwnych stronach frontu.

Pierwszym z nich był Alexander Lippisch, niemiecki inżynier lotniczy, który przed wojną był znany głównie ze swoich niezwykle zaawansowanych technicznie szybowców, a który podczas wojny zasłynął jako twórca rakietowego myśliwca Me 163 Komet. W 1929 r. konstruktor stworzył ornitopter napędzany siłą mięśni, który wykonał jeden z pierwszych udanych lotów takiej maszyny. Pojazd, wyniesiony na odpowiednią wysokość przez wyciągarkę, przeleciał około 300 metrów. Ale fakt, że wymagał do startu wsparcia z zewnątrz sprawił, że wielu współczesnych podawało w wątpliwość to, czy maszyna faktycznie była zdolna do samodzielnego lotu.

Równolegle swoje własne prace nad ornitopterami prowadził francuski inżynier René Riout. Poświęcił temu projektowi trzy dekady swojego życia: pierwsze modele ornitopterów tworzył już w 1905 r., rozwijał je przez cały okres międzywojenny, a w 1937 r. na zlecenie francuskich sił zbrojnych przystąpił do budowy pierwszego w historii prawdziwego, w pełni sprawnego ornitoptera z napędem spalinowym. Riout 102T Alérion był z pewnością najbardziej udanym załogowym ornitopterem zbudowanym w XX wieku - mimo, że nigdy nie wystartował. Metalowa maszyna o ośmiometrowych skrzydłach przeszła serię testów we francuskim tunelu aerodynamicznym. Testy wskazywały, że jest w pełni zdolna do samodzielnego lotu. Niestety, podczas jednego z nich mechaniczna awaria jednego z czterech skrzydeł pojazdu skończyła się poważnym uszkodzeniem całego prototypu. Riout chciał przebudować i wzmocnić swój ornitopter, ale nadchodząca wojna sprawiła, że podobne projekty poszły w odstawkę, bo najważniejsze były całkiem konwencjonalne samoloty bojowe. Co ciekawe, mimo wojny i okupacji, Alerion przetrwał. Jego kadłub jest przechowywany w jednym z francuskich muzeów lotnictwa.

Po wojnie zainteresowanie ornitopterami spadło. Ich miejsce zajęły nowo wynalezione helikoptery. Przez kolejne dziesięciolecia budową trzepoczących skrzydłami maszyn zajmowali się głównie pasjonaci. Ale to zmieniło się w XXI wieku.

W 1999 r. w uniwersyteckim warsztacie w Toronto powstała maszyna, która może otworzyć przed ornitopterami niebo. Zespół z Instytutu Studiów Lotniczych Uniwersytetu w Toronto, kierowany przez profesora Jamesa DeLauriera, przez kilka lat pracował nad napędzanym silnikiem, pilotowanym ornitopterem.

W lipcu 2006 na lotnisku Downsview Park w Toronto maszyna UTIAS Ornithopter No.1 wystartowała i wykonała 14-sekundowy lot. Sam start maszyny był wspomagany silnikiem odrzutowym, ale to trzepoczące skrzydła utrzymywały potem niezwykłą maszynę w powietrzu.

W zaledwie cztery lata później ten sam zespół dokonał czegoś jeszcze bardziej niezwykłego. Pilot Todd Reichert przeprowadził w pełni kontrolowany lot za pomocą ornitoptera Snowbird - ogromnej maszyny o rozpiętości 32 metrów - zbliżonej do rozpiętości Boeinga 737, która mimo swoich rozmiarów ważyła zaledwie 42 kilogramy. Pojazd skonstruowany z włókna węglowego, balsy i pianki był napędzany wyłącznie siłą mięśni pilota, który napędzał ogromne skrzydła za pomocą pedałów, które siłę nacisku przenosiły za pomocą systemu drutów poruszających skrzydłami w górę i w dół.

Po wstępnym holowaniu przez samochód, ornitopter wzbił się w powietrze i leciał przez prawie 20 sekund, pokonując 145 metrów ze średnią prędkością 25,6 km/h. Co ważne, maszyna nabierała początkowo wysokości co stanowiło dowód na to, że mięśnie człowieka w zupełności wystarczały do podtrzymania jej w powietrzu. Ornitoptery na pedały nie będą jednak raczej środkiem transportu przyszłości: badania wykazały, że nawet wysportowanemu człowiekowi sił wystarczy na najwyżej kilkadziesiąt sekund lotu.

Ale przyszłość ornitopterów jako takich wygląda coraz jaśniej. Zwłaszcza w mikroskali. W powietrze wzbija się coraz więcej dronów napędzanych właśnie trzepotem skrzydeł. Wysoka efektywność energetyczna i zwrotność takich maszyn doskonale nadają się właśnie do budowy bezzałogowców.

Ornitoptery już dziś znajdują zastosowania w ochronie przyrody - Colorado Parks and Wildlife Service wykorzystało takie maszyny do ratowania zagrożonych wyginięciem cietrzewi: sztuczne jastrzębie kontrolowane przez operatora płoszą dzikie ptaki i sprawiają, że pozostają one na ziemi. A to umożliwia naukowcom wyłapywanie ich w celu przeprowadzenia badań.

Sztuczne ptaki chronią także lotniska. Po pierwszych testach przeprowadzonych na amsterdamskim Schipholu, stworzona przez inżynierów z Uniwersytetu Twente firma RoBird rozpoczęła w 2012 r. produkcję sztucznych ptaków drapieżnych, przepędzających dzikie ptactwo z lotnisk, pól i wysypisk śmieci.

Mikroornitoptery mogą także stać się znakomitymi szpiegami i zwiadowcami. Ponieważ ornitoptery mogą być wykonane tak, aby przypominały ptaki lub owady, mogą być wykorzystywane do zastosowań wojskowych, takich jak dyskretny zwiad lotniczy. W 2011 roku firma AeroVironment, Inc. zademonstrowała zdalnie sterowanego ornitoptera przypominającego dużego kolibra do możliwych misji szpiegowskich.

Przełomem może okazać się wyeliminowanie z ich konstrukcji tradycyjnych silników i przekładni. Robert C. Michelson z Georgia Tech Research Institute opracowuje sztuczne mięśnie, które mogłyby napędzać trzepoczące skrzydłami drony, które mogłyby dzięki nim być mniejsze, lżejsze, ale szybsze i zwrotniejsze.

A część inżynierów sugeruje, że ornitopter o dużej rozpiętości skrzydeł może być idealnym pojazdem do eksploracji rzadkiej, zimnej atmosfery Marsa. Chociaż więc nigdy raczej nie doczekamy się pasażerskich samolotów o trzepoczących skrzydłach, ornitoptery mogą w niedługiej przyszłości wzbić się w powietrze nad odległą, pustynną planetą. Prawie jak w “Diunie".