羽ばたき飛行機

羽ばたき飛行機(ギリシャ語のornis 、ornith (鳥) とpteron (翼) に由来) は、羽ばたきで飛ぶ飛行機です。設計者は、鳥、コウモリ、昆虫の羽ばたき飛行を模倣しようとしました。機械は形が異なる場合がありますが、通常は飛行動物と同じスケールで作られています。より大型の有人羽ばたき飛行機も作られており、いくつかは成功しています。有人羽ばたき飛行機は、通常、エンジンまたはパイロットによって駆動されます。

初期の粗雑な飛行の試みの中には、羽ばたき飛行を目指したものもあったかもしれないが、実際に達成されたのはおそらく滑空だけだった。そうした飛行には、11世紀のカトリック修道士マルムズベリのエイルマー（12世紀の記録）や、9世紀の詩人アッバース・イブン・フィルナス（17世紀の記録）の飛行がある。^{[1] 1260年に執筆した} ロジャー・ベーコンも、技術的な飛行手段を検討した最初の一人だった。1485年、レオナルド・ダ・ヴィンチは鳥の飛行を研究し始めた。彼は、人間は腕に翼をつけただけでは飛べないほど重く、力が足りないことに気づいた。そこで彼は、飛行士が板の上に横になり、ハンドレバー、フットペダル、滑車システムを使用して2つの大きな膜状の翼を動かす装置のスケッチを描いた。

1841年、 「ヴォイヴォディナからベオグラードに来た」^{[2]鉄工職人の}カルファ（職人）マノイロは、鳥のように羽ばたく羽根を持つ飛行機で飛行を試みた。当局から聖ミカエル大聖堂の鐘楼からの離陸許可を拒否された彼は、密かにドゥムルカナ（輸入税本部）の屋上に登り、そこから離陸し、雪の山に着地して生き延びた^{[3] 。}

最初の飛行可能な羽ばたき飛行機はフランスで作られた。1871年にジョベールはゴムバンドを使って小さな模型の鳥を動かした。アルフォンス・ペノー、アベル・ユロー・ド・ヴィルヌーヴ、ヴィクトール・タタンも1870年代にゴム動力の羽ばたき飛行機を作った。^[4]タタンの羽ばたき飛行機はおそらく翼の能動的なねじりを利用した最初のもので、1889年頃にピシャンクールが販売した玩具の基礎となったようだ 。ギュスターヴ・トゥルーヴェは内燃機関を利用した最初の飛行機で、1890年にフランス科学アカデミーで披露した彼の模型は80メートルの距離を飛行した。翼は火薬の装填によって羽ばたき、ブルドン管を作動させた。

1884年以降、ローレンス・ハーグレイヴは、ゴムバンド、バネ、蒸気、圧縮空気を動力源とする数多くの羽ばたき飛行機を製作した。^[5]彼は、より大きな固定翼に推力を供給する小さな羽ばたき翼の使用を導入した。この革新により減速機の必要性がなくなり、構造が簡素化された。

EPフロストは1870年代から羽ばたき飛行機を製造していた。最初のモデルは蒸気エンジンで駆動し、その後1900年代には人が乗れる大きさの内燃機関の飛行機が作られたが、飛行はできなかった。^[6]

1930 年代、アレクサンダー・リピッシュとナチスドイツの国家社会主義飛行隊は、ハーグレイヴの小型羽ばたき翼のコンセプトを採用し、系統的な研究から生まれた空気力学的な改良を加えた一連の内燃機関駆動の羽ばたき飛行機を製作し、飛行に成功しました。

1930年代に活躍したエーリッヒ・フォン・ホルストは、輪ゴムで駆動する羽ばたき飛行機で、高い効率性とリアリズムを実現した。彼は、鳥の翼を折りたたむ動作をより忠実に模倣することを目的とした曲がる翼を持つ羽ばたき飛行機で、おそらく最初の成功を収めたが、それは鳥のような真の可変翼幅翼ではなかった。^[7]

1960年頃、パーシバル・スペンサーは、排気量0.020～0.80立方インチ（0.33～13.11 cm ³）の内燃機関を使用し、翼幅最大8フィート（2.4 m）の無人羽ばたき機の飛行に成功した。^[8] 1961年、パーシバル・スペンサーとジャック・スティーブンソンは、スペンサー・オーニプレーンとして知られる、初のエンジン駆動遠隔操縦羽ばたき機の飛行に成功した。^[9]オーニプレーンの翼幅は90.7インチ（2,300 mm）、重量は7.5ポンド（3.4 kg）で、排気量0.35立方インチ（5.7 cm ³）の2ストロークエンジンを搭載していた。胴体の振動を減らすため、複葉機構成であった。^[10]

有人羽ばたき飛行機は、パイロットの力で動くもの（人力羽ばたき飛行機）とエンジンで動くものの 2 つの一般的なカテゴリに分類されます。

1894 年頃、航空のパイオニアであるオットー・リリエンタールは、広く報道され成功したグライダー飛行によってドイツで有名になりました。リリエンタールは鳥の飛行も研究し、関連する実験も行いました。彼は羽ばたき飛行機を製作しましたが、1896 年 8 月 9 日のグライダー事故で早すぎる死を遂げたため、その完全な開発は阻止されました。

1929年、アレクサンダー・リピッシュ（メッサーシュミットMe163コメットの設計者）が設計した人力羽ばたき飛行機が、曳航発射後に250～300メートル（800～1,000フィート）の距離を飛行した。曳航発射が使用されたため、飛行機が自力で飛行できるかどうか疑問視する声もあった。リピッシュは、飛行機は実際に飛行しており、長時間滑空していたわけではないと主張した（この疑問を解決するには、高度と速度の経時的な正確な測定が必要だろう）。その後の人力羽ばたき飛行機のほとんども曳航発射を使用し、人間の筋力は時間の経過とともに急速に低下するため、飛行時間は短かった。

1942年、アダルベルト・シュミットはミュンヘン・ライムで人力羽ばたき機の長距離飛行に成功した。この機は900メートル（3,000フィート）の距離を飛行し、飛行中はほぼ20メートル（65フィート）の高度を維持した。後にこの同じ機体に3馬力（2.2kW）のザックス製オートバイ用エンジンが搭載された。このエンジンにより、最長15分間の飛行が可能になった。シュミットは後に10馬力（7.5kW）の羽ばたき機を製作したが、これは1947年に飛行したグルナウ・ベイビーIIaグライダーをベースとしている。2機目の機体には羽ばたく外翼パネルが付いていた。^[11]

フランスの技術者ルネ・リウは、羽ばたき翼を持つ羽ばたき飛行機の実現に30年を費やした。1905年に最初の模型を発明。1909年にレピーヌのコンクールで縮小模型で金メダルを獲得。1913年にパイロットの注文によるモデル、デュボア・リウの開発に取り組んだ。テストは1916年に中止された。1937年にリウ102Tアレリオンを完成させたが、これは21世紀の10年まで最も成功した有人羽ばたき翼を持つ羽ばたき飛行機であることは間違いない。残念ながら、風洞試験の結果はプロジェクトの継続には不利なものだった。^{[12] [13]}

2005年、イヴ・ルソーは航空分野への貢献に対してFAIからポール・ティサンディエ賞を授与された。ルソーは1995年に初めて人力による羽ばたき飛行を試みた。2006年4月20日、212回目の飛行で、フランス航空クラブの役員が見守る中、64メートル（210フィート）の飛行に成功した。213回目の飛行では突風で翼が折れ、パイロットは重傷を負って下半身不随となった。^[14]

トロント大学 航空宇宙研究所のジェームズ・デローリエ教授率いるチームは、数年間にわたりエンジン駆動の有人羽ばたき機の開発に取り組んできた。2006年7月、トロントのダウンズビューパークにあるボンバルディア飛行場で、デローリエ教授の機体、UTIAS羽ばたき機1号がジェット支援による離陸と14秒間の飛行を行なった。デローリエによれば、^[15]ジェットは持続的な飛行に必要だが、ほとんどの作業は羽ばたく翼によって行われたという。^[16]

2010年8月2日、同研究所のトッド・ライヒェルトは、スノーバードと名付けられた人力羽ばたき飛行機を操縦した。翼幅32メートル（105フィート）、重量42キログラム（93ポンド）のこの飛行機は、カーボンファイバー、バルサ材、発泡スチロールでできている。パイロットは翼の下に吊り下げられた小さなコックピットに座り、足でバーを操作して、翼を上下に動かすワイヤーシステムを操作した。空中まで車に牽引され、その後ほぼ20秒間飛行を継続した。平均速度25.6 km/h（15.9 mph）で145メートル（476フィート）を飛行した。^[17]過去にも同様の牽引飛行が行われていたが、データ収集の改善により、この羽ばたき飛行機は一度空中に上がると自力で飛行できることが実証された。^[18]

羽ばたき飛行機は鳥や昆虫に似せることができるため、敵に監視されていることを気づかれずに空中偵察などの軍事用途に使用できます。ビデオカメラを搭載した羽ばたき飛行機がいくつか飛行しており、狭い空間でホバリングしたり操縦したりできるものもあります。2011 年、AeroVironment 社は、スパイ任務に使用できる大型のハチドリに似た遠隔操縦羽ばたき飛行機を実演しました。

1980年代半ば、ポール・B・マクレディ（ゴッサマー・アルバトロスで有名）率いるエアロバイロンメント社は、スミソニアン協会のために、巨大翼竜ケツァルコアトルスの半分の大きさの無線操縦模型を開発した。これはIMAX映画『オン・ザ・ウィング』の主役として製作された。この模型の翼幅は5.5メートル（18フィート）で、実物大の翼竜が飛行中に絶えず調整を行うために神経筋系に依存していたのと同じように、複雑なコンピューター制御の自動操縦制御システムを備えていた。^{[19] [20] [21]}

研究者たちは、動物の飛翔筋をより忠実に模倣することで、現在の設計のモーターとギアをなくすことを望んでいる。ジョージア工科大学研究所のロバート・C・マイケルソンは、マイクロスケールの羽ばたき翼航空機で使用するための往復運動する化学筋肉を開発している。マイケルソンは、このタイプの羽ばたき飛行機を「昆虫飛行機」と呼んでいる。 ^[22] SRIインターナショナルは、羽ばたき翼飛行にも使用できる ポリマー 人工筋肉を開発している。

2002年、スウェーデンのチャルマース工科大学のクリステル・ウォルフとピーター・ノルディンは、飛行技術を学習する羽ばたきロボットを製作した。^[23]バルサ材で作られたこのロボットの設計は、定常線形進化アルゴリズムと呼ばれる機械学習ソフトウェア技術によって推進された。自然の進化にヒントを得て、このソフトウェアは、与えられたタスクをどれだけうまくこなせるかというフィードバックに応じて「進化」する。実験装置に限定されていたが、彼らの羽ばたき機は、最大持続揚力と水平移動のための動作を進化させた。^[24]

2002年以来、テオ・ファン・ホルテン教授はヘリコプターのような構造の羽ばたき飛行機の開発に取り組んできました。この装置は「羽ばたき飛行機」^[25]と呼ばれ、反作用トルクを持たないようにメインローターを設計して作られました。

2008年、アムステルダム・スキポール空港は、鷹匠ロバート・マスターズが設計した本物そっくりの機械式タカの使用を開始しました。この無線操縦ロボット鳥は、飛行機のエンジンを損傷する可能性のある鳥を追い払うために使用されます。^{[26] [27]}

2012年、トゥエンテ大学のスピンオフ企業であるRoBird（旧Clear Flight Solutions）は、空港や農業、廃棄物管理産業向けに人工猛禽類（RoBird®と呼ばれる）の製造を開始しました。^{[28] [29]}

エイドリアン・トーマスとアレックス・カッチャは2015年にアニマル・ダイナミクス社を設立し、クアッドコプターよりも高性能なドローンとして使用できるトンボの機械類似体を開発しています。この研究は英国国防省の研究機関である国防科学技術研究所と米国空軍によって資金提供されています。^[30]

愛好家は独自の羽ばたき飛行機を組み立てて飛ばすことができます。輪ゴムで動く軽量モデルから、無線制御の大型モデルまで、さまざまなモデルがあります。

ゴムバンド動力のモデルは、設計と構造がかなりシンプルです。愛好家はこれらのモデルで最長飛行時間を競います。入門モデルは設計と構造がかなりシンプルですが、競技用の上級モデルは非常に繊細で、組み立てるのが困難です。ロイ・ホワイトは、屋内ゴム動力の飛行時間 21 分 44 秒で、米国の国内記録を保持しています^[要出典]。

ゴムバンドで動く自由飛行のおもちゃの羽ばたき飛行機は、昔から商業的に販売されている。最初のものは1879年にパリでティム・バードという名前で販売された^。[31]その後のモデルもティム・バードとして販売された（1969年以降、フランスのG・ド・リュインベケ社製）。

市販のラジコンの設計は、1958年頃に開発されたパーシバル・スペンサーのエンジン駆動のシーガルズと、1990年代後半から現在までのショーン・キンケードの作品に由来しています。翼は通常、電動モーターで駆動されます。多くの愛好家は、独自の新しい翼の設計とメカニズムの実験を楽しんでいます。本物の鳥と自分の領域で交流する機会も、この趣味に大きな楽しみを加えます。鳥は好奇心が強いことが多く、飛行中の模型を追いかけたり、調べたりします。いくつかのケースでは、ラジコンの鳥が猛禽類、カラス、さらには猫に襲われたこともあります。WowWeeのDragonflyなどの最近の安価なモデルは、熱心な愛好家から一般の玩具市場へと市場を拡大しました。

愛好家にとって役立つリソースとしては、Nathan Chronister 著の「The Ornithopter Design Manual」や、これらのモデルの構築と飛行に関する大量の情報が掲載されている「The Ornithopter Zone」Web サイトなどがあります。

羽ばたき飛行機は、かつてアメリカ全国科学オリンピックの競技リストにあった競技の 1 つとしても興味深いものでした。この競技 (「Flying Bird」) では、厳格な仕様に従って自走式の羽ばたき飛行機を製作し、飛行時間が長く重量が軽いとポイントが与えられました。また、羽ばたき飛行機が本物の鳥に似ている場合にもボーナス ポイントが与えられました。

鳥の例からもわかるように、羽ばたき翼は固定翼機に比べて機動性や省エネ性に優れ、垂直離着陸も可能となる可能性がある。これらの利点は小型で低速飛行時に最も顕著になると示唆されているが^[32]、このような不安定な剥離流の複雑な非線形性のため、羽ばたきに関する包括的な空気力学理論の開発は未解決の問題のままである^{[33] 。}

飛行機やヘリコプターとは異なり、羽ばたき機の駆動翼は回転運動ではなく、羽ばたきまたは振動運動をします。ヘリコプターと同様に、翼は通常、揚力と推力の両方を提供する複合機能を持っています。理論的には、羽ばたき翼は上昇時に迎え角をゼロに設定できるため、空気中を容易に通過できます。通常、羽ばたき翼は揚力と推力の両方を生成するため、抗力を誘発する構造は最小限に抑えられます。これら 2 つの利点により、高い効率が実現される可能性があります。^{[引用が必要]}

将来、有人動力式オーニソプターが「エキゾチック」で、空想的で、非現実的な航空機ではなくなり、航空機ファミリーのジュニア メンバーとして人間に利用されるようになると、設計者とエンジニアは、翼の設計上の問題だけでなく、安全で信頼性の高い航空機にするために必要な他の多くの問題を解決する必要が生じます。安定性、制御性、耐久性などの問題の一部は、すべての航空機に必要です。オーニソプターに固有の他の問題も発生するでしょう。羽ばたき翼の設計を最適化することは、その 1 つにすぎません。

効果的な羽ばたき飛行機には、飛行機を前進させる力である推力と、飛行機を空中に浮かせておく力（飛行方向に対して垂直）である揚​​力の両方を生成できる翼が必要です。これらの力は、抗力と飛行機の重量 の影響に対抗できるほど強力でなければなりません。

レオナルドの羽ばたき飛行機の設計は鳥類の研究にヒントを得たもので、羽ばたき運動を利用して推力を生み出し、揚力に必要な前進運動を行うという発想だった。しかし、当時入手可能な材料では飛行機は重すぎ、飛行に必要な揚力や推力を生み出すには多くのエネルギーが必要だった。アルフォンス・ペノーは1874年に動力付き羽ばたき飛行機のアイデアを発表した。彼の設計は動力が限られており制御不能だったため、子供のおもちゃに変わってしまった。^{[34]リピッシュ（1929年）や}エミール・ハートマン（1959年）の人力羽ばたき飛行機などのより新しい乗り物は動力グライダーとして優秀だったが、離陸するには牽引車が必要で、持続飛行に十分な揚力を生み出せなかった可能性がある。ハートマンの羽ばたき飛行機は、有翼飛行の研究に基づいた他の飛行機のような理論的背景を欠いていたが、鳥の飛行方法を直接模倣した機械ではなく、鳥のような機械としての羽ばたき飛行機というアイデアを例示した。^{[35] [36]} 1960年代には、飛行を達成して維持できる様々なサイズの動力付き無人羽ばたき飛行機が登場し、機械的な有翼飛行の貴重な実例を提供した。1991年、ハリスとデローリエは、カナダのトロントで、エンジン駆動の遠隔操縦式羽ばたき飛行機の初飛行に成功した。1999年には、この設計に基づいた有人羽ばたき飛行機が飛行し、平坦な舗装道路から離陸して持続飛行を実行できた。^[35]

羽ばたく翼と空中での動きは、重量、材料の強度、機械の複雑さの制限内で揚力の量を最大化するように設計されている。柔軟な翼材料は、駆動機構をシンプルに保ちながら効率を高めることができる。翼桁が翼型より十分に前方にあり、空力中心が翼の弾性軸より後方にある翼設計では、空力弾性変形により、翼は理想的な効率に近い動きをする（ピッチング角が急降下変位より約90度遅れる）。^[37]羽ばたく翼は抗力を増加させ、プロペラ駆動の航空機ほど効率的ではない。一部の設計では、ほとんどの鳥が行うように、上昇ストロークよりも下降ストロークに多くのパワーをかけることで効率を高めている。^[34]

望ましい柔軟性と最小重量を達成するために、エンジニアと研究者は、炭素繊維、合板、布、リブ、そして硬くて強い後縁を必要とする翼の実験を行ってきました。^[38]尾翼の後方にある質量は翼の性能を低下させるため、可能な限り軽量の材料と空きスペースを使用します。抗力を最小限に抑え、望ましい形状を維持するために、翼表面の材料の選択も重要です。デローリエの実験では、二重表面翼型の滑らかな空力表面は、単一表面翼型よりも揚力を生成するのに効率的です。

他の羽ばたき飛行機は、飛行中に必ずしも鳥やコウモリのように動作するわけではありません。通常、鳥やコウモリは揚力と推力を生み出すために薄く反り返った翼を持っています。薄い翼を持つ羽ばたき飛行機は迎え角が限られていますが、単一の揚力係数に対して最適な最小抗力性能を発揮します。^[39]

ハチドリは翼を完全に広げて飛ぶが、そのような飛行は羽ばたき飛行機には不可能である。羽ばたき飛行機の翼が完全に伸びて小さな動きでねじれたり羽ばたいたりすると失速し、非常に大きな動きでねじれたり羽ばたいたりすると風車のように動作して非効率的な飛行状況を引き起こす。^[40]

「フルウィング」と呼ばれるエンジニアと研究者のチームは、平均揚力8ポンド以上、平均推力0.88ポンド、推進効率54％の羽ばたき飛行機を開発した。^[41]翼は低速風洞でテストされ、空気力学的性能を測定し、翼の振動周波数が高いほど羽ばたき飛行機の平均推力が高くなることを示した。

羽ばたき飛行機は、フランク・ハーバートの『デューン』シリーズなどフィクションの中で何度も描かれており、その中では、惑星アラキスの砂漠気候においてアトレイデス家が使用する主な航空輸送手段として描かれている。^{[42] [43]}

• サイクロジャイロ
• ジャイロプレーン
• 人力飛行機
• 昆虫ハプター
• マイクロ航空機
• マイクロメカニカル飛行昆虫
• ナノハチドリ
• 回転翼航空機

• クロニスター、ネイサン (1999)。『オーニソプター設計マニュアル』。The Ornithopter Zone 発行。
• Mueller, Thomas J. (2001) 「マイクロ航空機用固定翼とフラッピング翼の空気力学」 バージニア州: アメリカ航空宇宙研究所ISBN 1-56347-517-0 
• 東 朗 (2006) 「飛行と水泳の生物運動学」。バージニア州: アメリカ航空宇宙研究所第 2 版。ISBN 1-56347-781-5。 
• DeLaurier, James D.「実物大の有人羽ばたき機の開発と試験」Canadian Aeronautics and Space Journal 45. 2 (1999), 72–82. (2010 年 11 月 30 日にアクセス)。
• ウォーリック、ダグラス、ブレット・トバルスケ、ドナルド・パワーズ、マイケル・ディキンソン。「ハチドリ飛行の空気力学」アメリカ航空宇宙学会 1～5 ページ。ウェブ。2010 年 11 月 30 日。
• クラウチ、トム D. 国立航空宇宙博物館の航空機。第 4 版。リリエンタール標準グライダー。スミソニアン協会、1991 年。
• ビルシュタイン、ロジャー E. 『アメリカの飛行 1900-1983』 初版。『グライダーと飛行機』 メリーランド州ボルチモア: ジョンズ ホプキンス大学出版局、1984 年。(8-9 ページ)
• クラウチ、トム・D・ウィングス。凧から宇宙時代までの航空史。初版。ニューヨーク：WWノートン・アンド・カンパニー、2003年。（44～53ページ）
• アンダーソン、ジョン D.空気力学の歴史とそれが飛行機に与えた影響。ケンブリッジ: イギリス、1997 年。

ウィキメディア・コモンズには、羽ばたき飛行機に関連するメディアがあります。

• SKYBIRD on YouTube、8フィートの無線操縦式羽ばたき飛行機の2分間の飛行