Varför är det så svårt att bygga ett bevingat flygplan?Flapping Flying Machine

Human Birdwings

När en man som identifierar sig själv som Jarno Smeets laddade upp en video på YouTube där han uppenbarligen flyger med en hemmagjord flapping wing, blev den omedelbart viral och utlöste en flodvåg av glädje och förundran: Han kan flyga som en fågel! Lika snabbt följde en motreaktion av hån. Omöjligt, förklarade tvivlarna – det är en bluff. Och i själva verket har en del djupare rapportering och analys gett upphov till allvarliga tvivel om videons äkthet. Till slut erkände han att det var en bluff.

Men ett tag fanns möjligheten kvar: Mänsklighetens strävan att bli en varelse i luften, en dröm ännu äldre än Ikaros, hade äntligen blivit verklighet.

En person som tittade på klippet med särskilt intresse var Todd Reichert, en nybliven doktorand från University of Toronto Institute for Aeronautical Studies. Reichert ledde ett team från universitetet som byggde en människodriven ornithopter – ett flygplan som driver sig självt genom att flaxa med vingarna likt en fågel eller en fladdermus. År 2010 klättrade Reichert in i farkosten, Snowbird, och styrde den på en rekordflygning. Han är den mest sällsynta av fågelimitatörer: en erfaren ornithopterpilot som faktiskt har flaxat sig fram genom luften.

När Reichert tittade på Smeets video var hans första intryck att det verkade mer eller mindre trovärdigt. Vingarna var lite för korta, tyckte han, och ryggsäcksaggregatet var lite för litet – men inte särskilt litet. Sedan kom starten, det ögonblick då pilotens fötter lämnar marken och farkosten stiger brant upp i luften. Det var i det ögonblicket, säger Reichert, som han insåg att bandet var en förfalskning. ”Bara vid första anblicken är det inte ens nära”, säger han.

För de av oss som inte är ornithopterpiloter är det kanske inte omedelbart uppenbart varför det är så. Fåglar kan trots allt klättra ännu brantare än vad Smeets gjorde. Det kan även fladdermöss och insekter. Faktum är att det är så lätt att flyga med vingar att det har utvecklats oberoende av varandra i djurriket minst fyra gånger. ”En vinge kan ge en bättre framdrivningseffektivitet än en propeller”, säger Reichert.

Men det sätt på vilket en fågel flyger skiljer sig mycket från det sätt på vilket en mekanisk ornithopter gör det. Reichert är väl medveten om detta, eftersom ämnet för hans doktorsavhandling var att jämföra djurens flygdynamik med de av människan tillverkade farkosternas. Det visar sig att fåglar är ljusår före oss människor när det gäller att slå med vingarna. ”En fågel ändrar hela tiden formen på sin vinge när den flyger, viker in den på uppåtgående slag och ut igen på nedåtgående slag”, säger han. (För ett utmärkt exempel, kolla in den här videon av en uggla i flygning med 1000 bilder per sekund). ”Den rör också vingen snabbare på nedåtgående slag än på uppåtgående slag. Så du ser dem göra alla dessa komplicerade extra rörelser, och med varje lager av komplexitet blir fågeln mer och mer effektiv. En ornithopters vinge däremot flaxar bara upp och ner.”

Detta är anledningen till att Reicherts egen ornithopteruppvisning var mycket mindre imponerande än videon med Smeets som Internet blev förälskat i i veckan. (Även om Reicherts föreställning får bonuspoäng för att den är, du vet, verklig.) För sin rekordflygning bogserade hans team Snowbird upp i luften till en höjd av några få meter och lyckades sedan hålla sig i luften i mindre än en minut medan den fladdrade vidare, höll sin höjd men tappade successivt i hastighet. Det är kanske inte ett fantastiskt resultat i förhållande till konventionell luftfart, men det är ändå den mest imponerande människodrivna flygning med flaxande vingar hittills.

Reicherts vinge kunde ha varit effektivare, säger han, om hans team hade försökt att efterlikna komplexiteten hos en fågelvinge. ”Problemet är att det är inte rätt väg att gå inom ingenjörskonsten”, säger han. ”Man vill inte säga: ’Åh, låt oss lägga till komplexitet för att få effektivitet’. ”

Ett uppenbart sätt att öka prestandan är naturligtvis att lägga till en motor. (Smeets konstruktion skulle enligt uppgift innehålla ett batteripaket och elektriska ställdon). Historien om bemannade ornitoptrar med motor går tillbaka till 1942, då en tysk ingenjör vid namn Adalbert Schmid enligt uppgift byggde en som drevs av en motor på 6 hk och som kunde lyfta med egen kraft och flyga i 15 minuter. Nathan Chronister, som i åratal har dokumenterat romantiken kring den bevingade flygningen på sin webbplats The Ornithopter Zone, säger att det teoretiskt sett inte finns någon anledning till att någon inte skulle kunna åstadkomma det som Smeets påstod sig ha åstadkommit. ”Det kan göras”, säger han.

Men, säger han, en fungerande farkost ”skulle inte se ut som …”. Vingen skulle behöva vara längre och styvare för att bli effektivare, och den skulle behöva någon form av stabilisering för att inte falla ur luften. Och han säger att det inte skulle vara en vinge som man kan spänna fast – ”den konfigurationen har visat sig vara extremt farlig” – utan i stället en farkost som piloten kan spänna fast sig i.

Reichert håller med om att något som Smeets konstruktion skulle kunna vara genomförbart. ”Någon skulle kunna göra detta”, säger han. ”Men utmaningen är så enorm. Det här är inte något som man kan göra genom att arbeta på sin bakgård i ett par månader.”

En dag kanske någon faktiskt kan förverkliga drömmen. Jarno Smeets råkade bara inte vara den som kunde genomföra det.

Jeff Wise är redaktör för Popular Mechanics och författare till Extreme Fear: The Science of Your Mind in Danger. För en daglig dos av extrem rädsla, kolla in hans blogg.