-A A +A

De vlucht van de Kulibrie

Heverlee, 6 januari 2012. Hangar Flying staat open voor suggesties van lezers. Zij die ons vroegen om wat meer aandacht te besteden aan de ‘kleine luchtvaart’ krijgen waar voor hun geld. We trokken naar de K.U.Leuven waar de Kulibrie wordt ontwikkeld, een vliegtuigje zo licht als een suikerklontje.

Frederik Leys, alumnus van K.U.Leuven, ontwierp voor zijn eindwerk ingenieurswetenschappen de vederlichte hightech Kulibrie. Van aerodynamica had Frederik nochtans weinig kaas gegeten. Tijdens de uitreiking van de Vlaamse Scriptieprijs op 19 december 2011 in Museum M in Leuven, ontving hij de Agoriaprijs voor zijn scriptie ‘Van Kolibrie naar Kulibrie’. Agoria, de sectororganisatie van de technologische industrie, reikt de prijs elk jaar uit aan de beste innovatieve scriptie. Dankzij de aandacht die hierdoor aan het project besteed wordt, kan de Kulibrie op lange termijn zelfs zijn weg vinden naar de industrie.

Ir. Frederik Leys met zijn Kulibrie. Zijn inspiratie haalde hij bij vogels en insecten.

Thermotechnisch ingenieur Frederik Leys werkt nu als onderzoeksmedewerker aan het Departement Mechanica van de KUL in Heverlee. Tijdens zijn studies moest hij al een kleine ornithopter ontwerpen, een vliegtuig met klappende vleugels. Hij vond het toestel, dat toen een spanwijdte had van 60 cm, toch wat groot en had vooral twijfels over de efficiëntie van de klappende vleugels.

Zijn Kulibrie die we nu in Heverlee te zien kregen is piepklein. Het frêle toestel heeft een spanwijdte van amper 11 cm en weegt 3,5 gram, inclusief de polymeerbatterij van 0,85 gram. De batterij verbeteren is zeer moeilijk. De exotische rosse kolibrie weet zijn energie veel beter te benutten dan de door een batterij aangedreven Kulibrie, de natuur is inderdaad verbazend efficiënt. Toch hijst de Kulibrie nu al meer gewicht dan zijn natuurlijke partner, nl. 4 gram i.p.v. 3,5 gram door de kolibrie.

Frederik: “Ik baseerde de anatomie en de vleugelslag inderdaad op de kolibrie. Als model had ik de keuze tussen de rosse kolibrie (selasphorus rufus) en de nachtvlinder tabakspijlstaart (manduca sexta). Beide diertjes hebben een flappende vleugelslag. De rosse kolibrie heeft kleinere vleugeltjes dan de nachtvlinder, ze gaan ook een pak sneller waardoor ze een groter gewicht kunnen heffen. De vlinder kan ongeveer anderhalve gram tillen,  de Kulibrie haalt al 4 gram.” De vleugels van de kolibrie zijn bijzonder efficiënt. Ze genereren meer draagkracht dan een vaste vleugel. Ze laten ook toe om beter en sneller te manoeuvreren. Net als de kolibrie beweegt de Kulibrie zijn vleugels 40 keer per seconde. De draagkracht varieert exponentieel met de flapfrequentie van de vleugel. Hoe hoger de frequentie, hoe meer lift. Om te verstaan hoe de vleugels van de kolibrie precies flappen kijk je best naar dit wonderlijk filmpje: www.youtube.com/watch?v=l3XT6qoNMMQ

Een fragiele doorschijnende vleugel heeft amper een oppervlakte van 5 cm2.

Er zit een 900 MHz ontvanger op de Kulibrie en een gelijkstroommotor. De vleugels zijn bedekt met Mylar-polyesterfolie, een doorzichtig materaal dat gebruikt wordt om bv. koekjesdozen af te sluiten. De Mylar-folie wordt over de carbonstructuur van de vleugels getrokken. Eén vleugel weegt 0,05 gram. Indien de vleugels dubbel zo zwaar zouden zijn, resulteert dit in 1 gram draagkrachtverlies. Aan de Kulibrie wordt gewerkt door een ingenieur, zoveel is duidelijk. Ieder detail wordt nauwkeurig uitgetekend in CAD-programma’s, er wordt overlegd met professoren en veel getest.

Momenteel kan de Kulibrie zijn eigen gewicht opheffen, maar het piepkleine toestel is nog te onstabiel. Tegen eind 2012 moet het vrij kunnen vliegen. Volgend jaar moet een staartloos model ook perfect bestuurbaar zijn, niet door stuurvlakken maar door asynchrone vleugelbewegingen. Een miniem verschil in beweging tussen linker en rechtervleugel doet het toestel dan van richting veranderen. Hoogteverandering wordt ingezet met een verhoogde frequentie van de flapbeweging. Voor het einde van een eventueel doctoraat wordt gewerkt aan de inbouw van een piepkleine camera en aan de commerciële inzetbaarheid. Volgens Frederik zijn er nu al microscopisch kleine camera’s op de markt die de Kulibrie probleemloos kan meedragen.

De Kulibrie voor een BMW Bramo-stermotor, gefotografeerd in de hal van het Thermotechnisch Instituut in Heverlee. Het metalen plaatje, onderaan de verbinding naar de staart, is de batterij.

In de ‘Campuskrant KU Leuven’ gaf Frederik een degelijke uitleg over de vliegbeweging van zijn Kulibrie: “Kolibries bewegen hun vleugels niet verticaal, zoals grotere vogels, maar horizontaal, van achter naar voor en terug – dat is de slagbeweging. Daarbij maken ze ook nog een kantelbeweging, waarbij de vleugels op het einde van elke slag een kwartslag gedraaid worden – dat is de pitchbeweging. De rosse kolibrie maakt die hele vleugelslag 40 keer per seconde. Vooral de pitchbeweging ligt mechanisch erg moeilijk, en daarom bootste men tot nu toe enkel de slagbeweging na. Ik ben erin geslaagd bij mijn Kulibrie zowel de slagbeweging als de pitchbeweging te imiteren, en bij mijn weten is het daarmee het eerste lichtgewichtmechanisme van die grootte dat dat kan.”

Frederik is heus niet de enige die aan zulke kleine vliegtuigjes werkt.  Aan de befaamde Harvard University en aan het California Institute of Technology (Caltech) sleutelen uitgebreide teams aan piepkleine ornithopters. Het spreekt vanzelf dat de angst voor industriële spionage er goed in zit en onze wetenschapper wil de technische finesses van het toestel liever niet gepubliceerd zien alvorens alles binnen een paar maanden in een wetenschappelijk vakblad uit de doeken wordt gedaan, dat is perfect begrijpbaar. De kans dat de broze Kulibrie ooit zal gecommercialiseerd worden is reëel. Het feit dat het zo klein is en zich in allerlei bochten kan wringen om bv. beelden door te sturen, maakt het ideaal inzetbaar in kleine ruimtes. Hulpploegen zouden de afstandsbestuurde en zeer wendbare Kulibrie perfect kunnen gebruiken bij hun zoektocht naar slachtoffers in ingestorte huizen. Vanuit militair oogpunt zal er beslist interesse zijn voor spionageopdrachten. 

Vijftien jaar geleden vonden we de drones een waanzinnig idee. De Kulibrie zou wel eens een nieuwe trend in de afstandsbestuurde vliegtuigen kunnen inluiden.

Frans Van Humbeek
Foto’s: Paul Van Caesbroeck