Van fladderende vogelvleugel tot klapwiekende drone

Kennis over de aerodynamica van een vogelvleugel bij lage vliegsnelheden heeft William Thielicke gebracht tot een ontwerp voor een drone (luchtverkenner) die klapwiekt als een vogel. Ideaal om snel lange afstanden te overbruggen en daarna langzaam bijvoorbeeld door een ingestort huis te vliegen, op zoek naar slachtoffers. Thielicke, die meervoudig kampioen is in wedstrijden met zelfgebouwde multikopters, promoveert op 31 oktober aan de Rijksuniversiteit Groningen.

William Thielicke haalt zijn inspiratie graag uit de natuur, door te kijken welke oplossing levende wezens hebben ontwikkeld voor technische problemen. Vliegen is een bekend voorbeeld. Mensen hebben eeuwenlang vogels bestudeerd om de kunst af te kijken.

Prijzenkast

Naast zijn wetenschappelijke werk ontwerpt en bouwt Thielicke als hobbyist al sinds 2007 multikopters, helikopters met meer dan één rotor, die hij bestuurt via een videolink, waarmee hij als het ware in de cockpit zit. ‘De hardware, software, alles maak ik zelf.’ Met deze multikopters doet hij mee aan internationale wedstrijden, waar het kan gaan om snelheid, manoeuvreerbaarheid of beide. Inmiddels hangt zijn prijzenkast behoorlijk vol en heeft hij de reputatie een van de beste vliegers van model-multikopters in Europa te zijn.

Stilhangen

Voor zijn promotieonderzoek onderzocht Thielicke eerst de manier waarop vogels langzaam vliegen. ‘Over de gewone, snelle vlucht van vogels is al heel veel bekend. Maar vogels kunnen ook bijna stilhangen in de lucht en dan werken de modellen die we gebruiken om de snelle vlucht te beschrijven niet.’

Al tijdens zijn masteronderzoek vond Thielicke aanwijzingen dat de aerodynamica van vogels tijdens de langzame vlucht lijkt op die van insecten. Dat is inmiddels ook bevestigd door andere onderzoekers. ‘Insecten creëren tijdens de neerwaartse beweging van hun vleugels luchtwervelingen boven hun vleugels, de ‘leading edge vortices’ die de druk boven de vleugel verlagen nog meer en zo zorgen voor extra lift’, legt Thielicke uit.

Hij onderzocht in een windtunnel een modelvleugel gebaseerd op die van een zwaluw. Met een speciaal scansysteem verzamelde hij gegevens die samen een 3D-beeld van de bewegende vleugel en de luchtstromen opleverden gedurende de hele vleugelslag-cyclus. Het onderzoek laat zien dat de dikkere ‘bovenarm’ van de vogelvleugel vooral werkt als een conventionele vliegtuigvleugel, waar een verschil in snelheid tussen de luchtstromen boven- en onderlangs zorgt voor de lift.

Rampenbestrijding

Maar het dunnere uiteinde (de ‘onderarm’) werkt vooral als een insectenvleugel. Bij iedere neerwaartse slag ontstaan er wervelingen boven de vleugel die de druk verlagen en de vogel als het ware extra optillen. Vooral bij lage vliegsnelheden zorgt dit deel van de vleugel voor de meeste ‘lift’. Daarnaast is de hoek waaronder de lucht langs de vleugel beweegt van belang, zo bleek uit de 3D scans.

De combinatie van efficiënte snelle vlucht en de mogelijkheid bijna stil te staan in de lucht is ideaal voor vliegende verkenners die bijvoorbeeld bij rampenbestrijding zijn in te zetten. ‘Je moet eerst naar de plek des onheil vliegen en daarna zorgvuldig kunnen zoeken. Een bestuurbaar vliegtuigje kan het eerste, maar niet het tweede. En een helikopter is weer minder geschikt voor het afleggen van grote afstanden’, zegt Thielicke. Zijn berekeningen laten zien dat een vliegtuigje dat klapwiekt als een vogel de voordelen van beide systemen combineert.

Militair oefendorp

Onlangs deed hij nog mee aan een grote internationale wedstrijd georganiseerd door de TU Delft waar ook professionele teams uit Azië aan deelnamen. ‘We moesten in een militair oefendorp een scenario naspelen. Binnen dertig minuten moesten de deelnemers een huis lokaliseren en onderzoeken, verschillende objecten identificeren en nog zo wat.’ Thielicke deed mee met zijn eigen hexacopter (met zes rotors) en haalde de tweede prijs binnen.

Speelgoedfabrikant

Inmiddels heeft Thielicke van deze hobby zijn beroep gemaakt: na afronding van zijn promotieonderzoek is hij gaan werken bij speelgoedfabrikant TobyRich, waar hij bestuurbare multikopters ontwerpt. En een Zwitsers bedrijf heeft een van zijn eerdere modellen in productie genomen. ‘Tot een jaar of twee geleden deed ik alles nog open source en was er een levendige community van mensen die zelf dit soort dingen bouwden en ook actief met mij meedachten. Maar inmiddels zijn er zoveel modellen kant en klaar verkrijgbaar dat zelfbouw veel minder populair is.’

Curriculum vitae

Tijdens zijn studie biologie aan de Humboldt Universiteit in Berlijn verdiepte William Thielicke zich al in de biomimetica, de wetenschap die natuurlijke ‘ontwerpen’ toepast in de techniek. In aansluiting op een onderzoek voor zijn masterscriptie dat hij deels aan de Rijksuniversiteit Groningen uitvoerde, begon hij met een promotietraject aan de RUG en de Hochschule Bremen waar zijn promotor, RUG-onderzoeker Eize Stamhuis, hoogleraar Biological Fluid Mechanics & Locomotion is.

Meer informatie:

-         William Thielicke promoveert aan de Rijksuniversiteit Groningen op onderzoek dat hij uitvoerde bij de vakgroep Ocean Ecosystems van het Energy and Sustainability Research Institute Groningen (ESRIG). De titel van zijn proefschrift is The flapping flight of birds - Analysis and Application. Zijn promotoren zijn prof.dr. E.J. (Eize) Stamhuis en prof.dr. A.G.J. (Anita) Buma.
-         Contact: William Thielicke