Fliegen wie ein Vogel

Es ist einer der ältesten Menschheitsträume: Fliegen wie ein Vogel – sich frei in der Luft in allen Dimensionen bewegen und die Welt mit Abstand aus der Vogelperspektive betrachten zu können. Deutsche Forscher haben nun das Rätsel um den Vogelflug gelüftet. Der "SmartBird" des Pneumatik-Spezialisten Festo fliegt, gleitet und segelt durch die Luft, ganz nach seinem Vorbild aus der Natur – der Silbermöwe.

Festo SmartBird

Eule im Flugversuch

Otto Lilienthal, Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst

Otto Lilienthal

Codex flight of the birds by Leonardo da Vinci

Leonardo da Vinci - Luc Viatour

Wie die Vögel fliegen könnte in der Vorstellung so leicht sein. Und was liegt näher, als Flugmaschinen am Vorbild des Vogelflugs auszurichten? So ist es nicht verwunderlich, dass Leonardo da Vinci bereits 1490 erste Schlagflügelmodelle baute, um dem Vogelflug näher zu kommen. Otto Lilienthal veröffentlichte im Jahr 1889 das Buch "Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst; ein Beitrag zur Systematik der Flugtechnik". Im Kapitel "Der Vogel als Vorbild" beschreibt Otto Lilienthal detailliert den Flug der Möwe.

Auch nach dieser Pionierzeit gab es etliche Versuche, den Vogelflug nachzuahmen. Aber der Erfolg blieb meist aus, auch wenn bestimmte Teile des Vogelflugs schon erfolgreich simuliert wurden. Antrieb, Start, Flug, Steuerung, Segeleinlagen und Landung in Vogelmanier sind in Gänze doch extrem anspruchsvoll.

Vögel verschaffen sich mit der Muskelkraft ihrer Flügel Auftrieb und halten sich in der Luft. Mit denselben Flügeln erzeugen sie die nötige Schubkraft, um den Strömungswiderstand zu überwinden und ihren Körper in Bewegung zu setzen – ohne jedes rotierende Teil. Die Funktionsintegration von Auftrieb und Vortrieb ist der Natur genial gelungen. Vögel messen, steuern und regeln ihren Bewegungsablauf fortlaufend und völlig autonom, dem Ziel des Überlebens verpflichtet. Dazu benutzen sie ihre Sinnesorgane.

Festo-"SmartBird": Der erste fliegende Kunstvogel

Dem Forscherteam des auf pneumatische und elektrische Automatisierungs- und Antriebstechnik spezialisierten Unternehmens Festo mit Stammsitz in Esslingen ist es nun gelungen, das Rätsel um den Vogelflug zu lüften. Der "SmartBird" fliegt, gleitet und segelt durch die Luft, ganz nach seinem Vorbild aus der Natur – der Silbermöwe. All das ohne zusätzlichen Antrieb. Seine Flügel schlagen dabei nicht nur auf und ab, sondern verdrehen sich gezielt. Dies geschieht durch einen aktiven Gelenktorsionsantrieb, der in Verbindung mit einer komplexen Regelung bisher unerreichte Wirkungsgrade im Flugbetrieb realisiert.

Vor- und Auftrieb werden ausschließlich durch das Schlagen der beiden Flügel erzeugt und benötigen dabei lediglich rund 23 Watt Leistung. Dies bei einem Gesamtgewicht von ca. 450 Gramm und einer Flügelspannweite von zwei Metern. Bei Messungen konnten elektromechanische Wirkungsgrade bis 45 Prozent und aerodynamische Wirkungsgrade bis zu 80 Prozent ermittelt werden. So ist der SmartBird ein tolles Beispiel für die Funktionsintegration, den ressourceneffizienten extremen Leichtbau und die optimale Nutzung der Strömungsphänomene in der Luft.

Der Schlüssel ist dabei eine ganz besondere Bewegung, die den "SmartBird" von den bisherigen Schlagflügelapparaten unterscheidet und die es dem ultraleichten und leistungsstarken Flugmodell ermöglicht, eigenständig zu starten, zu fliegen und zu landen. Damit gelingt Festo erstmals eine energieeffiziente, technische Adaption des natürlichen Vorbilds.

DLR forscht an Schleiereulen

Ganz so weit wie die Forscher des deutschen Familienunternehmens Festo ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) noch nicht. Einem Wissenschaftler-Team ist es bereits gelungen, den Flügel einer Schleiereule im Gleitflug zu vermessen, die kommenden Messungen beschäftigen sich nun mit dem Schlagflug.

Gemeinsam mit der RWTH Aachen und der Universität der Bundeswehr lassen die Wissenschaftler des DLR nun Schleiereulen in einem geschlossenen Raum fliegen und fotografieren dabei deren Flügel, um Informationen darüber zu bekommen, wie ein Vogel im Flug seine Flügel verformt.

Die Bahn, die die Eulen "Happy" und "Tesla" überfliegen, ist circa sieben Meter lang. Die Tiere fliegen jeweils einzeln. Um ihnen einen Anreiz zum Flug zu bieten, wartet am Ende der Bahn Futter auf die Tiere. Acht Kameras sind bei den Versuchen im Einsatz. Vier machen von oben Aufnahmen, vier von unten. Projektoren mit eine Punktemuster-Projektion strahlen jeweils von oben und unten den Eulen-Flügel an. Später am Computer werden verschiedene Bildpunkte einem Modell zugeordnet, um damit die Form der Flügel-Oberfläche auszurechnen. Für kommende Versuche entwickelt das DLR ein mit der fliegenden Eule mitfahrendes Kamerasystem, das auf einer Bahnlänge von bis zu 30 Metern zum Einsatz kommen soll.

Das Forschungsprojekt läuft noch bis Juni 2012. Die Ergebnisse des DLR-Projekts sollen nicht nur helfen, die Umströmung des Flügels, also die Strömung um den Flügel herum, zu berechnen und so den Vogelflug besser zu verstehen, sondern auch in die moderne Luftfahrt einfließen.