Les ingénieurs étudient le vol des oiseaux en vue d'améliorer les drones sans équipage

Christina Harvey avec des modèles d'ailes de mouette en soufflerie dans le laboratoire de l'Université du Michigan. Crédit :Christina Harvey/UC Davis

Les gens sont fascinés par le vol des oiseaux depuis des siècles, mais la manière exacte dont les oiseaux peuvent être si agiles dans les airs reste mystérieuse. Une nouvelle étude, publiée le 5 septembre dans Proceedings of the National Academy of Sciences , utilise la modélisation et l'aérodynamique pour décrire comment les goélands peuvent modifier la forme de leurs ailes pour contrôler leur réponse aux rafales ou à d'autres perturbations. Les leçons pourraient un jour s'appliquer aux véhicules aériens sans équipage ou à d'autres machines volantes.

"Les oiseaux effectuent facilement des manœuvres difficiles et ils sont adaptables, alors qu'est-ce qui est exactement le plus utile à mettre en œuvre dans leur vol dans les futurs avions ?" a déclaré Christina Harvey, professeure adjointe au Département de génie mécanique et aérospatial de l'Université de Californie à Davis et auteur principal de l'article.

Harvey a commencé à étudier les goélands alors qu'elle était étudiante à la maîtrise en zoologie à l'Université de la Colombie-Britannique, après avoir obtenu son baccalauréat en génie mécanique.

"Les goélands sont très communs et faciles à trouver, et ce sont des planeurs vraiment impressionnants", a-t-elle déclaré.

Harvey a poursuivi ses travaux sur les goélands en tant qu'étudiante au doctorat à l'Université du Michigan. Elle a récemment rejoint le corps professoral de l'UC Davis après avoir terminé son doctorat en génie aérospatial.

En mars de cette année, Harvey et ses collègues de l'Université du Michigan ont publié un article dans Nature analysant la dynamique de vol de 22 espèces d'oiseaux. Alors que les études précédentes avaient tendance à se concentrer sur l'aérodynamique - comment l'air se déplace autour d'un oiseau - Harvey a développé des équations pour décrire les propriétés inertielles des oiseaux, telles que le centre de gravité et le point neutre, où les forces aérodynamiques peuvent être modélisées de manière cohérente en tant que forces ponctuelles.

Les aéronefs sont généralement conçus pour être stables ou instables. Un avion stable aura tendance à reprendre son vol stable lorsqu'il est perturbé (par exemple, se faire soulever par une rafale de vent). Ceci est souhaitable, par exemple, dans un avion de ligne, mais pas pour un chasseur à réaction. Les avions très maniables sont conçus pour être instables.

Dans leur nature article, Harvey et ses collègues ont montré que presque toutes les espèces d'oiseaux étudiées sont capables d'un vol à la fois stable et instable et utilisent des mouvements d'ailes pour passer d'un mode à l'autre.

Trois modèles en soufflerie d'ailes de mouette. En combinant des études aérodynamiques avec la modélisation des forces d'inertie, l'ingénieure en aérospatiale Christina Harvey obtient de nouvelles informations sur la façon dont les oiseaux contrôlent leur vol. Crédit :Christina Harvey/UC Davis

Vol contrôlable

La nouvelle étude s'appuie sur ces travaux, rassemblant des études aérodynamiques utilisant des modèles imprimés en 3D de goélands et d'ailes de goéland dans une soufflerie, avec une modélisation informatique des forces d'inertie pour comprendre comment les goélands atteignent la stabilité le long de leur axe longitudinal (chute ou montée).

Les goélands peuvent ajuster leur réaction aux perturbations dans cet axe en ajustant leurs articulations du poignet et du coude et en transformant la forme des ailes, ont-ils découvert. L'équipe a pu prédire les qualités de vol des goélands et la rapidité avec laquelle ils peuvent se remettre d'une perturbation comme une rafale. Ce temps de réaction donne également un aperçu de la "portée contrôlable" de l'oiseau et de l'application de la dynamique de vol des oiseaux aux aéronefs.

"The flight qualities analysis asks:if you built an aircraft exactly like a gull, would a human be able to fly it?" Harvey said.

As uncrewed aerial vehicles, or drones, become more widely used, they need to be able to navigate complex urban environments, something birds do very well. A deeper understanding of bird flight could help improve drone designs for various uses.

Harvey will be opening her lab at UC Davis this fall. She hopes to collaborate with other campus researchers, including the California Raptor Center and researchers working on insect flight at the College of Biological Sciences.

"There are so many open questions about bird flight," she said, "I'm looking forward to seeing what else is out there to discover." + Explorer plus loin