Ornitopter miniaturizat Bio-inspirat multi-aripă, cu sistem de propulsie rezonant prin simpatie, acționat dual centralizat

 Prezenta invenție descrie un ornitopter (aeronavă cu aripi bătătoare) miniaturizat, de înaltă eficiență energetică, al cărui sistem de propulsie se bazează pe două actuatoare centrale dedicate și un set de multiple aripi pasive, care sunt puse în mișcare printr-un fenomen de rezonanță simpatică. Acest design bio-inspirat, mimând zborul unor insecte sau păsări mici, urmărește reducerea consumului de energie și simplificarea structurală a elementelor portante, menținând totodată o manevrabilitate ridicată, specifică ornitopterelor.

2. Fundament și Problematică Abordată

Ornitopterele, în special la scară mică (Micro Aerial Vehicles - MAVs), se confruntă cu provocări semnificative legate de eficiența energetică, complexitatea mecanismelor de acționare a aripilor și durabilitatea componentelor mobile. Acționarea directă a fiecărei suprafețe portante necesită adesea actuatoare multiple distribuite sau mecanisme de transmisie complicate, crescând masa și consumul energetic. Această invenție propune o soluție prin centralizarea generării forței motrice și utilizarea principiului rezonanței pentru a amplifica mișcarea la nivelul aripilor, reducând astfel cerințele energetice directe asupra actuatoarelor principale pentru întreaga cursă a bătăii.

3. Descrierea Detaliată a Invenției

Ornitopterul propus este structurat în jurul unui fuselaj central compact care găzduiește sistemul de acționare dual și unitatea de control, de care sunt atașate seturile de aripi pasive.

• A. Sistemul de Acționare Dual Centralizat:

  • Tipul Actuatoarelor: Se propun două actuatoare piezoelectrice de înaltă frecvență, alese pentru raportul excelent putere/masă și viteza de răspuns. Alternativ, pot fi considerate și actuatoare electromagnetice miniaturale.
  • Configurație și Funcție: Cele două actuatoare centrale sunt dispuse în fuselaj, fiecare fiind responsabil pentru excitarea unui grup distinct de aripi pasive (de exemplu, un actuator pentru setul de aripi de pe partea stângă și celălalt pentru setul de pe partea dreaptă). Această configurație permite nu doar generarea mișcării de bază, ci și controlul diferențial pentru manevre precum virajele sau ruliul, prin variația amplitudinii sau a frecvenței de excitație între cele două actuatoare. Actuatoarele generează vibrații mecanice precise, de amplitudine relativ mică, dar la o frecvență specifică.

• B. Sistemul de Aripi Pasive Rezonante:

  • Număr și Configurație: Ornitopterul va fi echipat cu multiple aripi pasive – de exemplu, două sau mai multe perechi (ex: o pereche de aripi anterioare și o pereche de aripi posterioare, sau multiple "penaje" / lamele rezonante per parte). Acestea sunt denumite "pasive" deoarece nu conțin elemente active de acționare proprii.
  • Materiale și Design Structural: Aripile pasive sunt fabricate din materiale compozite ușoare și flexibile (ex: fibre de carbon, polimeri cu memorie de formă, membrane subțiri de poliester sau PVDF neactivat). Structura lor (incluzând lonjeroane subțiri, nervuri elastice și suprafața portantă) este meticuloas proiectată pentru a poseda frecvențe naturale de vibrație (moduri proprii) specifice, care corespund mișcării de bătaie dorite (flapping). Designul poate include și elemente de flexibilitate anizotropă pentru a induce automat torsiunea (schimbarea unghiului de atac) necesară în timpul ciclului de bătaie.

• C. Mecanismul de Acționare prin Rezonanță Simpatică:

  • Transferul Energiei Vibratorii: Vibrațiile generate de cele două actuatoare centrale sunt transmise mecanic către rădăcinile seturilor de aripi pasive corespunzătoare. Acest transfer se poate realiza printr-o structură de cadru internă, rigidă dar ușoară, sau prin puncte de cuplaj directe.
  • Acordajul Frecvențelor: Elementul cheie al invenției este acordajul fin între frecvența de operare a actuatoarelor piezoelectrice și una dintre frecvențele naturale de vibrație ale aripilor pasive. Când un actuator emite vibrații la această frecvență de rezonanță, aripile pasive corespunzătoare intră într-o oscilație de mare amplitudine (efect de "simpatie"). Energia transferată de la actuator este utilizată predominant pentru a compensa amortizările aerodinamice și structurale, nu pentru a forța întreaga mișcare a aripii.
  • Moduri de Vibrație Optimizate: Designul aripilor vizează excitarea unui mod de vibrație care maximizează generarea de portanță și propulsie. Acest mod implică o mișcare complexă de bătaie pe verticală și/sau orizontală, combinată cu o torsiune pasivă a anvergurii aripii.

• D. Eficiența Energetică:

  • Economia de energie este substanțială deoarece actuatoarele centrale nu realizează direct întreaga muncă mecanică a bătăii aripilor la amplitudine maximă. Ele funcționează ca excitatori rezonanți, sistemul aripă-actuator comportându-se ca un oscilator forțat la rezonanță. Astfel, se pot obține amplitudini mari de bătaie cu un input energetic redus în actuatoare.

• E. Aspecte de Control al Zborului:

  • Controlul primar (înălțime, viteză) se realizează prin ajustarea frecvenței și/sau amplitudinii semnalului electric aplicat ambelor actuatoare simultan.
  • Controlul direcțional (viraje, ruliu) se obține prin acționarea diferențiată a celor două actuatoare centrale (ex: amplitudine mai mare pe o parte pentru a iniția un viraj).
  • Controlul fin al atitudinii poate fi suplimentat prin mici suprafețe de control aerodinamice discrete pe aripile pasive sau pe ampenajul cozii, dacă este prezent, sau prin modificări subtile ale frecvenței pentru a schimba ușor caracteristicile bătăii (de ex., unghiul de atac mediu).

4. Avantaje Principale

• Eficiență energetică sporită: Datorită exploatării fenomenului de rezonanță.
• Reducerea masei și complexității: Aripile pasive sunt structural mai simple și mai ușoare decât cele cu actuatoare integrate.
• Potențial de generare a forței portante superioare: Prin utilizarea optimizată a multiplelor suprafețe rezonante.
• Durabilitate crescută: Mai puține componente active mobile direct expuse la stres mecanic intens.
• Scalabilitate pentru miniaturizare extremă: Conceptul favorizează construcția unor ornitoptere de dimensiuni foarte mici.
• Operare potențial mai silențioasă: Vibrațiile de înaltă frecvență și absența angrenajelor pot contribui la un zgomot redus.

5. Terminologie Tehnică Relevantă

• Ornitopter: Aeronavă care zboară prin bătaia aripilor.
• Actuator Piezoelectric: Dispozitiv care convertește energia electrică în mișcare mecanică prin efectul piezoelectric.
• Rezonanță (Simpatie): Fenomen prin care un sistem oscilant răspunde cu amplitudine maximă la o excitație externă a cărei frecvență este egală sau foarte apropiată de una dintre frecvențele sale naturale de oscilație.
• Mod Propriu de Vibrație: Formă specifică de oscilație a unui sistem elastic, caracterizată de o anumită frecvență naturală.
• Portanță: Forța aerodinamică perpendiculară pe direcția vântului relativ, care susține aeronava în aer.
• Propulsie (Tracțiune): Forța aerodinamică care mișcă aeronava înainte.
• Anvergură: Distanța dintre vârfurile aripilor.
• Frecvență de Acordaj: Frecvența la care actuatoarele sunt operate pentru a induce rezonanța în aripile pasive.

6. Aplicații Potențiale

Ornitopterul descris este potrivit pentru aplicații unde dimensiunile reduse, agilitatea și eficiența energetică sunt critice: misiuni de recunoaștere și supraveghere în spații restrânse sau complexe, monitorizare ambientală, inspecții industriale, cercetare în domeniul zborului bio-inspirat și chiar pentru divertisment (jucării avansate).

Această descriere amplificată ar trebui să ofere o imagine mai clară și mai detaliată a inovației propuse, subliniind utilizarea celor două actuatoare centrale și a principiului rezonanței pentru acționarea eficientă a aripilor multiple pasive.