En 1924, Etienne Oehmichen effectue le premier vol dans un engin inspiré de la libellule, l’hélicostat, en décollant et atterrissant verticalement.
Il a étudié leurs mouvements d'ailes, qui permet à beaucoup d'insectes de se propulser. L'hélice de son hélicostat a été inspirée des ailes de libellules. Cette dernière a des ailes fixées au thorax. En faisant vibrer son thorax, ses ailes sont mises en mouvement, et permettent alors à la libellule d'avancer. Les ailes, placées à l'horizontale afin d'éviter au corps de tourner sur lui-même, peuvent bouger indépendamment les unes des autres. Elles sont composées de systèmes complexes de rotules qui modifient leur forme. Ce système leur permet la propulsion, la sustentation et le contrôle de la trajectoire. Cependant, les hélices inventées par Etienne Oehmichen diffèrent des ailes de libellules : elles tournent toutes en même temps et dans le même plan, malgré son souhait de créer des pales qui se déforment, ce qui aurait amélioré l'aérodynamisme. Lors de ses premiers essais, Oehmichen s'est aperçu que son engin tournait sur lui-même. Il eut alors l'idée d'ajouter une hélice verticale qui compenserait le mouvement de rotation, grâce à une force de poussée horizontale. Cette hélice est appelée coup de frein pescara.
Les hélicoptères d'aujourd'hui
Les pales rotatives font office d’ailes étroites. Ces pales peuvent être inclinées pour contrôler la direction que prend l’hélicoptère. L’hélice située en bout de queue (le rotor de queue) annule la force exercée par l’hélicoptère, qui tournerait naturellement dans le sens opposé aux rotors.
Comme les ailes des avions, les rotors de l’hélicoptère ont une forme qui laisse passer l’air plus rapidement au dessus qu’en dessous. Pour rester en vol stationnaire, monter ou descendre, le pilote incline les rotors grâce au levier de contrôle collectif du pas. Pour monter, il incline les pales de façon à ce que le flux d’air soit plus rapide au dessus qu’en dessous.
Le nautile est un céphalopode marin qui a peu évolué en 400 millions d'années.
Sa coquille est enroulée et cloisonnée en différentes loges. Le corps du nautile occupe la dernière loge, qui est la plus grande. Les loges non occupées contiennent un mélange de gaz et de liquide.
Les différentes cloisons sont traversées par un siphon, une sorte d'organe tubulaire mécanique. En effet, il a la forme d'un tube et permet l'entrée ou la sortie d'un fluide, comme l'eau de mer, entre l'intérieur et l'extérieur de l'animal.
L'eau est aspirée à travers le siphon, placé derrière la tête du nautile. En projetant cette eau vers l'arrière, le nautile peut se déplacer.
Le déplacement se fait grâce à la projection de l'eau via une sorte d'entonnoir. Le nautile peut diriger le siphon dans différentes directions pour modifier sa trajectoire.
Ce siphon possède un double avantage: il est silencieux et insensible à la pression dans les eaux profondes. En effet, le nautile possède des cavités de décompression qui lui évitent de couler lorsque la coquille se remplit d'eau.
Les usines, l'aviation ou les sous-marins utilisent des roues munies d'ailettes appelées "turbines". Ces turbines permettent de propulser un fluide vers l'arrière.
Dans un avion, le fonctionnement n'est pas tout à fait similaire à celui d'un nautile. Le turboréacteur aspire l'air (jusqu'à une tonne par seconde) grâce à une hélice tournant très vite, appelée "soufflante". Cette hélice envoie le fluide dans des compresseurs qui vont augmenter la pression du fluide grâce à un système de roues munies d'ailettes. Les compresseurs sont constitués d'ailettes fixes, le stator, et d'ailettes mobiles, le rotor. Ils peuvent comprimer l'air jusqu'à 30 bars pour certains modèles. L'air sous pression est ensuite envoyé dans une chambre de combustion où il sera mélangé au carburant, le kérosène. L'énergie cinétique et l'énergie thermique du fluide sont transformées en énergie mécanique. En sortant de la chambre de combustion, le fluide est détendu brutalement dans la tuyère, car il est chaud, ce qui a pour effet de le propulser rapidement vers l'arrière. Cette propulsion d'air entraîne une "réaction dont la force a une intensité égale et opposée" (ce qui correspond à la troisième loi de Newton). Par conséquent, l'aéronef ou même le nautile sera propulsé dans le sens opposé à la propulsion de l'air. De plus, dans un turboréacteur, l'air qui sort du moteur entraîne une turbine qui, reliée à un arbre concentrique, fera tourner la soufflante et les compresseurs. Pour éviter que le turboréacteur surchauffe et augmente la poussée, des turbines envoient une partie de l'air autour du moteur. Les sous-marins utilisent le même principe pour se mouvoir.
Schématisation du turboréacteur
L'entreprise Festo est spécialisée dans la création de robots biomimétiques qui imitent très bien le mouvement des animaux. Leurs prototypes sont presque des copies fidèles, et ont pour objectif de trouver de nouvelles solutions de stockage d'énergie grâce à la création de robots innovants.
Le Bionic Kangaroo est un robot qui imite de façon très réaliste le mode de déplacement du kangourou. Il fait des bonds, puis emmagasine l'énergie pour la réutiliser au prochain bond.
Les vrais kangourous, pour ne pas s'épuiser, font des petits sauts, et se servent de leurs tendons comme des ressorts élastiques.
Leurs bonds se font à faible vitesse comme à vive allure, et sur de longues distances.
Le Bionic Kangaroo imite ce comportement : les ingénieurs de chez Festo ont étudié l'anatomie des jambes du kangourou. Des ressorts mécaniques sont placés sur les jambes postérieures. Ce qui permet, au moment de l’atterrissage, de les recharger partiellement en énergie. Le poids de ce robot n'excède pas 7kg. Il est capable d'effectuer des sauts de 40 cm de haut et de 80 cm de longueur.
Concernant alimentation en énergie, deux méthodes différentes sont proposée par Festo. La première est un compresseur intégré, l'autre est un accumulateur haute pression: c'est-à-dire qu'il injecte de l'air comprimé dans des "muscles" pneumatiques.
Un sacré bond dans l'innovation, chez Festo
Un drone-oiseau conçu par la start-up Xtim imite les mouvements d’ailes des oiseaux. Il est piloté par un smartphone, et permettrait de voler à côté d’autres oiseaux (qui le prennent pour un autre oiseau) et serait utile à l’armée pour l’espionnage.
Pour arriver à concevoir ce drone de la taille d’un oiseau, il a fallu observe le mouvement de leurs ailes, et ainsi mettre au point un système d’ailes déformables et une dérive réglable permettant de voler avec une grande maniabilité et d’effectuer rapidement des manœuvres.
Le Bionic Bird prend son envol....
Le Bionic bird est biomimétique tant au niveau de la forme, qu'au niveau de la propulsion.
Le 17 décembre 1903, les frères Orville et Wilbur Wright effectuent quatre vols de plusieurs dizaines de mètres sur la plage de Kill Devil, en Caroline du Nord, dans un aéronef plus lourd que l'air ! Après avoir abandonné le vol plané, ils mettent au point un engin de 274 kg, constitué de deux ailes parallèles de 12 m d’envergure et d’un moteur de 16 CV qui entraîne deux hélices: le Wright Flyer. Leur 1er essai est raté, mais trois jours et quelques réparations plus tard, ils tentent à nouveau de voler. Ils réussissent enfin un vol de 260 m de long, pendant 59 secondes, à 3 m du sol (le pilote étant Wilbur) ! Les deux frères restent discrets, l’évènement échappe à la presse, mais Orville prend quelques photos. Après de multiples améliorations, et de nouveaux engins, le Flyer 2 et le Flyer 3, Wilbur Wright effectue un vol de 38 km en 39 min à bord du Flyer 3 !
Littéralement propulsés...
Le nautile: un réacteur puissant
Le nautile est un céphalopode marin qui existe depuis plus de 500 millions d'années. Il a peu évolué, et possède un système complexe de propulsion, similaire au turboréacteur.
Propulsion
La partie "Mouvement et déplacement" inclut, comme son nom l'indique, des exemples qu'il était judicieux de traiter d'un point de vue du déplacement. Même si le déplacement est lié à la forme, il nécessite d'être étudié à part. En effet, nous verrons que ce n'est pas toujours la forme qui nous semble la plus aérodynamique qui permet d'obtenir les meilleures performances. Nous avons vu que la forme est un critère d'observation important pour le biomimétisme.
Le terme "propulsion" désigne le déplacement d'un corps par une force de poussée. Il y a plusieurs types de propulsion (mécanique, électrique,...). La force de poussée s'oppose à la traînée (voir les forces dans la sous-partie "Profil"). Pour étudier cette force de poussée, il sera donc nécessaire de comprendre les trois lois de Newton.
Ici, nous nous intéresserons au nautile, un céphalopode de la préhistoire qui n'est pas si éloigné du turboréacteur. Nous continuerons avec un voyage dans le passé où nous verrons les premiers pas de l'aéronef. Nous finirons par un bond dans le futur et l'innovation avec des robots prometteurs et très bons imitateurs...
L'Hélicostat
d'Etienne Oehmichen
Etienne Oehmichen (1884-1955) est considéré comme le père de l'hélicoptère.
Pour construire son hélicostat, il s'est grandement inspiré des libellules.
Les Frères Wright
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Les frères Wright ont permis l'essor de l'aviation, peu de temps après les prouesses de Ader.
En étudiant les lois et les principes de la physique, l'Homme a pu créer de nombreux éléments utiles à ses moyens de transports comme le réacteur par exemple.
Il arrive alors que ces éléments fonctionnent selon un principe bien similaire à celui de certains animaux. L'Homme l'a donc reproduit involontairement. Ce principe de fonctionnement est pourtant efficace car il répond aux attentes de l'Homme et a trouvé sa place dans la nature.
Dans les débuts de l'aviation, l'Homme a cherché beaucoup de solutions dans la nature. Les aéronefs d'aujourd'hui ne sont pas entièrement inspirés de la nature. Etienne Oehmichen a eu l'intuition d'imiter les libellules pour l'hélice de son hélicostat, l'ancêtre de l'hélicoptère.
Les innovations du futur
Certains drones pourraient fonctionner selon le même principe que les libellules dans un futur proche.
Le futur
vu par les libellules
Comme nous l'avons vu, les libellules font vibrer leurs ailes grâce à leur thorax. Pour mieux comprendre ce mécanisme, vous pouvez visionner la vidéo ci-contre à gauche. Chez la libellule, les ailes sont fixées au thorax, et c’est le thorax qui vibre, et qui réalise donc le battement des ailes.
On parle alors de thorax résonant. Si des mini-drones volaient à la manière des libellules, ils auraient une grande discrétion, une grande agilité et la possibilité d'effectuer des vols stationnaires grâce à des battements d'ailes à haute fréquence. Leur consommation d'énergie serait également réduite.
Philippe May, microchirurgien, a élevé des libellules et a analysé leur mécanique de vol, dans le but de recréer la déformation vibratoire du thorax de la libellule.
Les drones sont donc composé de matériaux électrostrictifs qui se déforment sous l’influence d’un champ électrique. C'est-à-dire que ce champ permet de modifier la forme du matériau.
Le thorax de la libellule est remplacé par une plaque dans les drones.
De plus les ailes sont fabriquées en fibre de carbone, afin de se déformer plus facilement comme celles des libellules.
L'entreprise Festo a déjà conçu un drone-libellule : le BionicOpter, qui a la possibilité de varier ses accélérations, planer, et effectuer des vols stationnaires.
Thorax résonant en action
Les pionniers de l'aviation n'ont pas fait qu'observer la nature: ils ont aussi étudié plusieurs facteurs intervenant dans le vol : le flux d'air, la gravité, et les différentes façon de voler.
Certaines entreprises envisagent déjà un futur où le biomimétisme permettrait des performances identiques à la nature.
C'est le cas de Festo et Xtim, qui copient des animaux pour créer des robots, ou des drones aux multiples usages, possédant toutes les capacités souhaitées de l'animal imité.