Des ailes de chauve-souris pour un vol stationnaire plus efficace

En 1934, l’entomologiste français Antoine Magnan écrivait que les bourdons «ne devraient pas pouvoir voler», car leurs petites ailes seraient théoriquement incapables de générer suffisamment de portance. Il a fallu une technologie de caméra ultrarapide moderne pour découvrir ce qui permettait à ces insectes de voler: un « vortex de bord d’attaque ». L’écoulement de l’air autour du bord d’attaque – la partie frontale - des ailes battantes s’enroule en un tourbillon, créant une zone de basse pression qui augmente la portance.

De leur côté, les chauves-souris aux ailes membranaires souples sont capables de voler aussi bien que les insectes, sinon plus efficacement. En fait, certaines chauves-souris dépensent jusqu’à 40 % moins d’énergie que des papillons de même taille. Une équipe du Laboratoire de diagnostic des écoulements instationnaires (UNFOLD) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL s’est penchée sur le potentiel aérodynamique d’ailes plus souples. Elle a utilisé une plateforme expérimentale dotée d’une membrane fortement déformable fabriquée à partir d’un polymère à base de silicone. Les scientifiques ont découvert qu’au lieu de créer un tourbillon, l’air s’écoule en douceur sur les ailes courbées, ce qui génère plus de portance et les rend encore plus efficaces que les ailes rigides de même taille.

«La principale conclusion de ces travaux est que le gain de portance observé ne provient pas d’un vortex de bord d’attaque, mais de l’écoulement qui suit la courbure lisse de l’aile membranaire», déclare Alexander Gehrke, ancien doctorant à l’EPFL, aujourd’hui chercheur à l’Université Brown. «Non seulement l’aile doit être courbée, mais elle doit l’être juste ce qu’il faut, car une aile trop souple est moins performante.» Il est le principal auteur d’un article décrivant ces travaux publié dans Proceedings of the National Academy of Sciences.

Mieux comprendre les volatiles

Les chercheuses et chercheurs ont monté la membrane souple sur un cadre rigide dont les bords tournent autour de leurs axes. Pour mieux visualiser l’écoulement autour de l’aile, ils ont immergé leur dispositif dans de l’eau mélangée à des particules traceuses de polystyrène.

«Grâce à nos expériences, nous avons pu modifier indirectement les angles avant et arrière de l’aile, ce qui nous a permis d’observer comment ils s’alignaient sur l’écoulement», explique Karen Mulleners, responsable du laboratoire UNFOLD. «Du fait de la déformation de la membrane, l’écoulement n’a pas été forcé de s’enrouler en tourbillon; il a plutôt suivi la courbure de l’aile naturellement sans se séparer, générant ainsi plus de portance.»

Pour Alexander Gehrke, ces résultats pourraient être précieux pour les biologistes et les ingénieurs. «Nous savons que les chauves-souris pratiquent le vol stationnaire et qu’elles ont des ailes membranaires déformables. La façon dont la déformation de l’aile affecte les performances en vol stationnaire est une question importante, mais faire des expériences sur des animaux vivants n’est pas anodin. En utilisant une structure bio-inspirée simplifiée, nous pouvons en apprendre davantage sur les volatiles et sur la manière de construire des appareils volants plus efficaces.»

Gehrke explique qu’à mesure que les drones réduisent en taille, ils sont plus fortement affectés par de petites perturbations aérodynamiques et des rafales instables que les gros appareils comme les avions. Les drones quadrirotors standard cessent de fonctionner à très petite échelle. Une solution pourrait donc être d’utiliser les mêmes mouvements d’ailes que les animaux pour construire des versions améliorées de ces objets volants afin qu’ils puissent planer et transporter une charge utile plus efficacement.

Les résultats de l’équipe pourraient également servir à améliorer les technologies énergétiques existantes, telles que les éoliennes, ou à commercialiser des systèmes émergents, tels que les récupérateurs marémoteurs qui exploitent passivement l’énergie des courants océaniques. Les progrès des capteurs et de la technologie de contrôle, potentiellement associés à l’intelligence artificielle, pourraient permettre le contrôle précis requis pour réguler la déformation des ailes membranaires souples et adapter les performances de ces drones lors de conditions météorologiques variables ou de missions de vol.