Prendendo spunto dall'osservazione del moto di uccelli, pesci e mammiferi, in un processo biomimetico, si vuole progettare, realizzare e provare un modello di velivolo ad ala battente (ornitottero). Tale modello dovrà avere i requisiti di leggerezza e manovrabilità per essere in grado di effettuare un volo reale radiocomandato. Verrà inoltre studiato in dettaglio in galleria del vento al fine di valutarne le prestazioni in termini di forze ed efficienza aerodinamiche, in funzione dei parametri caratteristici del fenomeno (velocità relativa rispetto all'aria, frequenza e ampiezza del battito alare). L'ambito del volo ad ala battente è quello relativo al moto oscillatorio delle superfici alari che genera un flusso non stazionario. Tale dinamica è molto più complessa di quella ad ala fissa degli aerei convenzionali, poiché tramite tale semplice movimento si ha la generazione combinata di portanza e spinta senza l'aggiunta di alcuna componente propulsiva, quale potrebbe fornire un'elica. Proprio per questa peculiarità, insieme ai vantaggi forniti dalle piccole dimensioni, dalle basse velocità di volo e dall'elevata manovrabilità, tale tipologia di velivolo viene oggi considerata nella progettazione di piccoli UAV (Unmanned Aerial Vehicle) da applicare in missioni di soccorso, ricerca e sorveglianza.
Vi sono due aspetti legati alla dinamica di un'ala battente che, pur indagati in passato, risultano ancora poco chiari:
- in che modo si alternano le fasi di spinta e di sostentamento durante il periodo di un battito alare e quale è l'interazione tra le due fasi ?
- quale è la relazione tra le prestazioni in termini di spinta e sostentamento e il rilascio di vorticità nella scia dell'ala ?
La risposta a questi quesiti necessita di un'analisi sperimentale dettagliata, che possa poi essere seguita da una fase di analisi e modellazione anche in termini parametrici. In particolare per quanto riguarda il primo punto sarà necessario acquisire ad alta frequenza i dati sui carichi aerodinamici (portanza e resistenza) ed essendo la frequenza del battito alare dell'ordine di 1-10 Hz, ciò significa che l'acquisizione dei dati debba avvenire almeno a 50 Hz. A questo scopo verrà utilizzata una bilancia dinamometrica di precisione, di recente acquisizione, in grado di registrare i dati relativi alle forze su modelli in galleria del vento fino a circa 100 Hz, permettendo così di ricostruire sia i carichi mediati nel tempo, che quelli istantanei legati a ciascuna fase del battito alare.
Dovendo essere svergolata, l'ala non sarà completamente rigida e questo comporterà anche un'interazione tra la spinta e la portanza durante il battito. Per esempio nel moto verso il basso dell'ala (downstroke) si genera una forza aerodinamica orientata verso l'alto e inclinata in avanti, mentre quando l'ala si muove verso l'alto (upstroke) si ha una forza diretta verso il basso, sempre inclinata in avanti. In entrambe le fasi si ha la generazione di spinta, ma nella fase di upstroke si ha anche la generazione di una deportanza, mentre in quella di downstroke di portanza. Affinché il velivolo conservi il suo stato di volo dovrà avere una portanza media maggiore o uguale al peso del velivolo e perciò la fase di downstroke dovrà generare più portanza di quanta sia la deportanza generata nella fase di upstroke.
Per quanto riguarda il secondo quesito, verrà utilizzata la tecnica Particle Image Velocimetry (PIV) in galleria del vento per ottenere i campi di velocità e vorticità ad ogni istante del battito alare e quelli medi, insieme ai momenti statistici superiori, quali ad esempio l'intensità della turbolenza. A tale scopo, sarà necessario l'utilizzo di una telecamera veloce (6000 fotogrammi al secondo alla massima risoluzione), anch'essa di recente acquisizione, per descrivere con la necessaria risoluzione temporale il collegamento tra posizione dell'ala durante il battito e i campi di velocità e vorticità nella scia.
Il campo risultante sarà certamente molto più complesso di quello di un'ala in condizioni stazionarie, a causa delle componenti di velocità ortogonali al piano alare generate dal moto ritmico dell'ala combinate con la velocità indisturbata del flusso d'aria. Sarà inoltre fortemente tridimensionale in quanto vi sarà una variazione di
direzione e intensità della velocità allontanandosi dalla radice alare, necessitando quindi di misure su più piani.
Una volta ottenuta la risposta ai quesiti sopra esposti per il modello specifico di ornitottero utilizzato, si cercherà di analizzare e modellizare i dati, possibilmente in modo da rendere esplicite le fenomenologie riscontrate e metterle in relazione con possibili variazioni geometriche dell'ala (forma alare, materiali, dimensioni). In questa fase potrebbe essere importante considerare anche l'effetto della "massa apparente", dovuto all'accelerazione e decelerazione delle masse di aria circostanti l'aria stessa, particolarmente importante alla alte frequenze del battito.
Come già riportato, i numeri adimensionali che caratterizzano i fenomeni considerati, oltre ai coefficienti di spinta e portanza, sono il numero di Strouhal, St, il numero di Reynolds, Re e la frequenza ridotta K. Il numero di Strouhal è una misura della non stazionarietà e dell'efficienza del moto di sollevamento (plunging) dell'intera ala ed è definito come St=fA/V, dove f è la frequenza di battito alare, A l'ampiezza dello stesso e V la velocità asintotica del flusso. Per i volatili in condizioni di crociera tale valore si attesta tra i 0.2 e i 0.4 e si pensa di utilizzare un valore nell'intervallo 0.1-0.2 per la sperimentazione.
Il numero di Reynolds, il cui inverso caratterizza l'importanza delle forze dovute alla viscosità rispetto a quelle inerziali, è definito come Re =Vc/n, dove c tipicamente rappresenta la dimensione della corda dell'ala e n è il coefficiente di viscosità cinematica del fluido. Tipicamente nel caso degli uccelli abbiamo valori compresi tra 10.000 e 100.000 e nella sperimentazione si lavorerà nella parte superiore di questo intervallo. La frequenza ridotta descrive infine il moto di pitching lungo la corda alare, ed è definita come K=fc/V, assumendo valori leggermente inferiori a quelli del numero di Strouhal, ma comunque in funzione della geometria specifica dell'ala.