Att göra en flygplansvinge av en fjäder

Flygande fågel
Myrspovens fantastiska förmåga att flyga långt non-stop ger oss kunskap till nya tekniska lösningar för flyg och vindkraft. Bild: Shutterstock

Fåglar är mästerliga flygare och kan till och med prestera bättre än våra flygplan. Exempelvis kan myrspovar flyga från Alaska till Nya Zeeland – 11 600 km – i en åtta dagars non-stopflygning! För att orka med detta måste fåglarna kunna flyga väldigt effektivt. Men hur gör de det – vad har en fjäder som inte en flygplansvinge har?

En av de största utmaningarna i dagens samhälle är att minska bränsleförbrukningen vid transporter och att utveckla effektivare sätt att ta vara på vindens energi. Både flyg- och vindkraftsindustrin söker därför efter nya mer effektiva konstruktioner.

– Genom att förstå vad det är som gör fåglarna så fantastiska i luften får vi, förutom ny kunskap, även inspiration till nya tekniska lösningar, säger evolutionsbiolog Christoffer Johansson på Biologiska institutionen vid Lunds universitet.

Fjädrarnas utseende avgörande

Christoffer Johansson studerar fåglars anpassningar till flygning genom att se på samspelet mellan vingars uppbyggnad, deras rörelse och hur luften flödar över vingarna (den så kallade aerodynamiken). När fåglarna flyger slår de med vingarna och slagen skapar ett luftflöde som liknar det som roterande propellrar skapar.

Målet, när en flygande fågel utsätts för turbulens och vindkast i luften, är att uppnå en hög aerodynamiska prestanda för att spara energi. Vingarna behöver därför vara effektivt utformade och luftflödet över dem måste hållas stabilt.

Vi måste förenkla modellen, men ändå få med komplexiteten.

Det är fjädrarnas utseende, och fjädrarnas passiva rörelse när de belastas av luftflöden, som är avgörande för aerodynamiken, berättar Christoffer Johansson. En fjäder består av dött material, precis som våra naglar, med mycket komplex struktur. Den är lättböjlig och deformeras lätt av luftflöden, vilket i sin tur alltså påverkar hur luften flödar över vingarna.

– Därför är det relevant att studera fågelfjädrar för att uppnå bättre propeller- och turbinbladsdesign, förklarar Christoffer Johansson.

Datasimuleringar behövs

Christoffer Johansson och hans kollegor arbetar nu med att hitta svaret på vad är det som gör att fåglarnas fjädrar är så väl anpassade till flygning.  Inom projektet ska de göra försök där de manipulerar luftflöden och fjäderns mekaniska och aerodynamiska egenskaper.

 – Men vi kan inte manipulera riktiga fjädrar, det som krävs är datasimuleringar, säger Christoffer Johansson. Till detta behövs modeller som tar hänsyn till att material inte är helt stabila utan att de förändrar form när de påverkas av flöden, så kallade FSI-modeller (Fluid-Structure Interaction model).

En fjäder i 3D-modell

Snart har forskarna i projektet tagit fram en tredimensionell (3D) datamodell av en fjäder (se fig) som sedan ska användas vid simuleringarna. Men det återstår ett stort arbete för Christoffers modellerande kollegor när de ska anpassa den FSI-modell de nu använder så att den går att använda för fjäderexperimenten.

Fjäderns struktur är så mycket mer komplex än något annat forskarna hittills har modellerat och även med tillgång till superdatorn Aurora vid Lunarc, Lunds universitetets centrum för vetenskapliga och tekniska beräkningar, så räcker sannolikt inte datorkapaciteten för att modellera hela komplexiteten fullt ut.

– Vi måste förenkla modellen, men ändå få med komplexiteten – mina forskarkollegor kommer behöva vara kreativa, säger Christoffer Johansson.

Test i vindtunnel

Samtidigt, för att testa att det simuleringarna producerar är relevant, så kommer Christoffer Johansson stämma av modellerna mot verkligheten, det vill säga ute i vindtunneln.

 – Vi ska skriva ut en uppförstorad 3D-modell av fjädern och montera den i vår vindtunnel. Vi sätter på blåsten och mäter hur flödet ser ut över fjädrarna. På så sätt kan vi senare bekräfta att modellerna hamnar rätt.
Slutligen, när modellen väl fungerar, ska forskarna gå vidare med simuleringsexperiment för att steg för steg öka förståelsen av fjäderns passiva aerodynamiska kontrollmekanismer.

– När vi väl kan bestämma mekanismen bakom fåglarnas passiva flödesstyrning, så kan vi relativt enkelt överföra regleringen till tekniska lösningar. Det ska bli spännande att vara med när vi senare i projektet kan samarbeta med industrin för att utforma nya lösningar av exempelvis vingar för flygindustrin och turbinblad för vindkraftverk, avslutar Christoffer Johansson.

 

Projektet Aeroleastic

Projektet är ett multidisciplinärt samarbete som kombinerar kunskap om zoologi, strukturmekanik och aerodynamik. Institutionen för biologi, med forskningsledare Christoffer Johansson, är experter på bland annat hur fåglar flyger och hur fjädrar är uppbyggda.

Avdelningen för byggnadsmekanik, med forskningsledare Kent Persson, har expertis avseende mekanisk modellering, och avdelningen för strömningsmekanik, med forskningsledare Johan Revstedt, har expertkunskap om beräkningsströmningsdynamik och modellering av fluid-struktur interaktioner (FSI).

Projektets långsiktiga mål är att använda kunskapen som tas fram för att studera, och tillsammans med industripartners, utforma nya lösningar av vingar för flygindustrin och turbinblad för vindkraftverk.

Forskningen inom projektet kan även leda till en potential för viktminskning i flygplan och vindturbin design, samt till att minska störande ljud från turbiner.  eSSENCEDen strategiska forskningsmiljön eSSENCE bidrar med finansiering som möjliggör forskning relaterad till utvecklingen av beräkningsmodeller för utvärdering av CT-skanningsbilder och för utvecklingen av FSI-modellerna.

En viktig del av projektet är just att utveckla förenklingar av FSI-modellen eftersom detaljerna i den fullständiga modellen potentiellt kan bli alltför beräkningsmässigt krävande att lösas av universitetets superdator, Aurora.

Fakta

Aerodynamik
Aerodynamik handlar om hur luft och andra gaser rör sig runt kroppar och föremål. Aerodynamiska experiment görs i vindtunnlar.
 
Passiv aerodynamisk kontroll
Hos fåglar sker fjädrarnas deformation utan att muskler är inblandade – fåglarna själva kan alltså inte aktivt påverka förändringarna som händer. Motsatsen hos andra djur är en aktiv kontroll där sensorer känner av krafterna, informationen bearbetas och muskler drar ihop sig.
 
FSI-modell
Fluid-Struktur interaktionsmodell möjliggör experimentella studier av samspelet, interaktionen, mellan fluider och strukturer. Fluider kan vara gaser, i detta fallet luft, eller vätskor. Strukturen är i detta sammanhang fjädermaterialet.