Ορνιθόπτερο

Ένα ορνιθόπτερο (από το αρχαιοελληνικό όρνιθος (πτηνό) και πτερόν) είναι αεροσκάφος που πετά με την κίνηση (φτερούγισμα) των πτερύγων του. Οι σχεδιαστές προσπαθούν να μιμηθούν την κίνηση των πτερύγων των πτηνών, των νυχτερίδων και των εντόμων όταν αυτά πετούν. Αν και οι μηχανές διαφέρουν σε μορφή, κατασκευάζονται συνήθως στην ίδια κλίμακα με τα ιπτάμενα αυτά πλάσματα. Ακόμη, κατασκευάστηκαν επανδρωμένα ορνιθόπτερα, και μερικά από αυτά ήταν επιτυχημένα. Οι ιπτάμενες αυτές μηχανές είναι δύο γενικών τύπων: αυτές με κινητήρες, και αυτές που τροφοδοτούνται από τους μύες του κυβερνήτη τους.

Πρώιμη ιστορία του ορνιθόπτερου

Πραγματοποιήθηκαν μερικές προσπάθειες για την επίτευξη πτήσης με κινούμενες πτέρυγες, αν και πιθανώς το μοναδικό που επιτεύχθηκε ήταν πτήση αιώρησης. Σε αυτές περιλαμβάνονται οι προσπάθειες του μοναχού του 11ου αιώνα Άιλμερ του Μαλμεσμπέρι (καταγράφηκε τον 12ο αιώνα) και του ποιητή του 9ου αιώνα Αμπάς ιμπν Φιρνάς (καταγράφηκε τον 17ο αιώνα). Ο Ρότζερ Μπέικον, γράφοντας το 1260, ήταν μεταξύ των πρώτων που εξέτασε τα τεχνολογικά μέσα της πτήσης. Το 1485, ο Λεονάρντο ντα Βίντσι άρχισε να μελετά το πέταγμα των πτηνών. Συμπέρανε πως οι άνθρωποι ήταν πολύ βαρείς, και αδύναμοι, για να πετάξουν χρησιμοποιώντας προσδεμένα φτερά στα χέρια τους. Ως εκ τούτου σχεδίασε μια συσκευή στην οποία ο αεροπόρος κρέμεται κάτω από μια σανίδα και χειρίζεται δύο μεγάλες, μεμβρανοειδείς πτέρευγες χρεισιμοποιώντας μοχλούς χεριών, πηδάλια, και σύστημα τροχαλιών.
Το 1841, ένας μεταλλουργός kalfa (οδοιπόρος) Μανόιλο (Manojlo) ο οποίος «μετέβη από το Βελιγράδι στην Βοϊβοντίνα» προσπάθησε να πετάξει με μια συσκευή που περιγράφεται ως ορνιθόπτερο («φτερά που φτερουγίζουν όπως ενός πτηνού»). Οι αρχές αρνήθηκαν να του δώσουν άδεια να απογειωθεί από το καμπαναριό του Σερβορθόδοξου Καθεδρικού Ναού του Βελιγραδίου, και αυτός σκαρφάλωσε με μυστικότητα στην κορυφή του Dumrukhana (κεντρικό γραφείο του Τελωνείου) και απογειώθηκε, πραγματοποιώντας προσγείωση σε ένα σωρό από χιόνι, καταφέροντας να επιζήσει.
Τα πρώτα ορνιθόπτερα που κατάφεραν να πετάξουν κατασκευάστηκαν στην Γαλλία. Ο Ζομπέρ το 1871 χρησιμοποίησε ένα λαστιχάκι για να τροφοδοτήσει ένα μικρό μοντέλο πτηνού. Ο Αλφόνς Πενώ, ο Αμπέλ Ουρώ ντε Βιλνέβ και ο Βικτόρ Τατέν, κατασκεύασαν επίσης ορνιθόπτερα με λαστιχάκι κατά την δεκαετία του 1870. Το ορνιθόπτερο του Τατέν ήταν πιθανώς το πρώτο που χρησιμοποίησε την ενεργή συστροφή των φτερών, και προφανώς χρησιμοποιήθηκε ως η βάση για ένα εμπορικό παιχνίδι που κατασκευάστηκε από τον Πισανκούρ περίπου του 1889. Ο Γκυστάβ Τρουβέ ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε εσωτερική καύση, και το μοντέλο του 1890 που κατασκεύασε πέταξε σε απόσταση 80 μέτρων σε μια επίδειξη για την Γαλλική Ακαδημία Επιστημών. Τα φτερά κινούνταν μέσω πυρίτιδας που ενεργοποιούσε έναν σωλήνα Μπουρντόν.
Από το 1884 και έπειτα, ο Λόρενς Χάργκρεϊβ σχεδίασε ορνιθόπτερα τροφοδοτούμενα από λαστιχάκια, ελατήρια, ατμό, και συμπιεσμένο αέρα. Εισήγαγε την χρήση μικρών πτερύγων που φτερουγίζουν και παρέχουν την ώθηση σε μια μεγαλύτερη σταθερή πτέρυγα. Η εφεύρεση αυτή περιόρισε την ανάγκη για έναν μειωτήρα, και εκ τούτου απλοποίησε την κατασκευή.
Ο Έντουαρντ Πέρκις Φροστ κατασκεύασε ορνιθόπτερα ξεκινώντας από την δεκαετία του 1870. Τα πρώτα μοντέλα του κινούνταν από ατμομηχανές, και έπειτα την δεκαετία το 1900, κατασκεύασε ένα σκάφος με κινητήρα εσωτερικής καύσης με επαρκή χώρο για ένα άτομο, το οποίο όμως δεν πέταξε ποτέ.
Την δεκαετία του 1930, ο Αλεξάντερ Λίπις και η NSFK στην Γερμανία κατασκεύασαν και πέταξαν με επιτυχία μια σειρά από ορνιθόπτερα εσωτερικής καύσης, χρησιμοποιώντας την ιδέα του Χάργκρεϊβ για μικρές πτέρυγες, αλλά με αεροδυναμικές βελτιώσεις που ήλθαν ως αποτέλεσμα της μεθοδολογικής μελέτης.
Ο Έριχ φον Χολστ, που επίσης εργαζόταν πάνω στο θέμα την δεκαετία του 1930, πέτυχε μεγάλη αποτελεσματικότητα και ρεαλισμό στο έργο του με ορνιθόπτερα που τροφοδοτούνταν από λαστιχάκια. Ίσως πέτυχε την πρώτη επιτυχία ενός ορνιθοπτέρου με λυγισμένη πτέρυγα, με σκοπό να μιμηθεί πιο έντονα τα πτυσσόμενα φτερά των πτηνών, αν και δεν διέθετε πραγματικά μεταβλητό άνοιγμα φτερών όπως συμβαίνει με τα πτηνά.
Περίπου το 1960, ο Πέρσιβαλ Σπένσερ πέταξε με επιτυχία μια σειρά μη επανδρωμένων ορνιθοπτέρων χρησιμοποιώντας κινητήρες εσωτερικής καύσης με εκτόπισμα που κυμαινόταν από 0,33 έως 13,11 κυβικά εκατοστά (0,020 έως 0,80 κυβικές ίντσες), και άνοιγμα φτερών έως 2,4 μέτρα (8 πόδια). Το 1961, ο Πέρσιβαλ Σπένσερ και ο Τζάκ Στέφενσον πέταξαν με το πρώτο επιτυχημένο ορνιθόπτερο με κινητήρα, γνωστό και ως Spencer Orniplane. Το Orniplane είχε άνοιγμα φτερών 2.300 χιλιοστών (90,7 ίντσες), είχε βάρος 3,4 κιλών (7,5 λίβρες), και τροφοδοτούνταν από δίχρονο κινητήρα εκτοπίσματος 5,7 κυβικών εκατοστών (0,35 κυβικές ίντσες). Είχε διάταξη διπλάνου, για να μειωθεί η ταλάντωση στην άτρακτο του.

Επανδρωμένη πτήση

Τα επανδρωμένα ορνιθόπτερα χωρίζονται σε δύο γενικές κατηγορίες: Αυτά που τροφοδοτούνται από την μυική δύναμη του κυβερνήτη τους (ανθρωποκίνητα ανεμόπτερα), και αυτά που τροφοδοτούνται από κινητήρα.
Περίπου το 1894, ο Ότο Λίλιενταλ, πρωτοπόρος της αεροπορίας, έγινε γνωστός στην Γερμανία για τις ευρέως δημοσιοποιημένες και επιτυχείς πτήσεις του με ανεμόπτερα. Ο Λίλιενταλ μελέτησε ακόμη το πέταγμα των πτηνών και πραγματοποίησε μερικά σχετικά πειράματα. Κατασκεύασε ένα ορνιθόπτερο, αν και η πλήρης ανάπτυξη του διακόπηκε απροσδόκητα με τον θάνατό του στις 9 Αυγούστου 1896 σε ατύχημα με ανεμόπτερο.
Το 1929, ο Αλεξάντερ Λίπις (σχεδιαστής του Me163 Komet) σχεδίασε ένα ανθρωποκίνητο ορνιθόπτερο το οποίο πέταξε σε απόσταση 250 με 300 μέτρα μετά από εκτόξευση μέσω ρυμούλκυσης. Μιας και χρησιμοποιήθηκε αυτή η μέθοδος απογείωσης, πολλοί διερωτήθηκαν αν το αεροσκάφος είχε την δυνατότητα να πετάξει μόνο του. Ο Λίπις ισχυρίστηκε πως το αεροσκάφος πετούσε, και πως δεν πραγματοποιούσε εκτεταμένη αιώρηση. (Ακριβής μέτρηση του υψομέτρου και της ταχύτητας του αεροσκάφους χρειάζονται για να δωθεί απάντηση στο ερώτημα αυτό.) Τα περισσότερα μεταγενέστερα ανθρωποκίνητα ορνιθόπτερα χρησιμοποίησαν την μέθοδο της εκτόξευσης μέσω ρυμούλκυσης, και το πέταγμα τους ήταν σύντομο επειδή η ανθρώπινη μυική δύναμη ελλατώνεται γρήγορα στον χρόνο.
Το 1968, ο Άνταλμπερτ Σμιντ πραγματοποίησε μια κατά πολύ μεγαλύτερη πτήση με ανθρωποκίνητο ορνιθόπτερο στο Μόναχο-Λάιμ. Πέταξε σε απόσταση 900 μέτρων, σε ύψος 20 μέτρων στη μεγαλύτερη διάρκεια της πτήσης. Αργότερα, τοποθετήθηκε στο αεροσκάφος κινητήρας μοτοποδηλάτου Sachs 3 αλόγων (2,2 kW). Με τον κινητήρα, πραγματοποίησε πτήσεις έως και 15 λεπτά σε διάρκεια. Ο Σμιντ κατασκεύασε αργότερα ορνιθόπτερο 10 αλόγων (7,5 kW) βασισμένο στο υδροπλάνο Grunau-Baby IIa, το οποίο πέταξε για πρώτη φορά το 1947. Το δεύτερο αεροσκάφος διέθετε εξωτερικά πλαίσια πτερύγων που κινούνταν.
Το 2005, ο Υβ Ρουσσώ απέκτσε το Δίπλωμα Πωλ Τισαντιέρ, το οποίο του απονεμήθηκε από την Διεθνή Ομοσπονδία Αεροναυτικής (FAI) για την συνεισφορά του στον χώρο της αεροπορίας. Ο Ρουσσώ πραγματοποίησε την πρώτη προσπάθεια για πτήση που στηριζόταν στους ανθρώπινους μύες με πτέρυγες που φτερουγίζουν το 1995. Στις 20 Απριλίου 2006, στην 212η προσπάθεια του, κατάφερε να πετάξει για 64 μέτρα, και καταγράφηκε από τις επίσημες αρχές της Γαλλικής Αερολέσχης. Στη 213η προσπάθεια που επιχείρησε μια ριπή ανέμου έσπασε την πτέρυγα, προκαλώντας τον σοβαρό τραυματισμό του, αφήνοντας τον παραπληγικό.
Μία ομάδα στο Ινστιτούτο Αεροδιαστημικών Σπουδών του Πανεπιστημίου του Τορόντο, με επικεφαλής τον Καθηγητή Τζέιμς Ντελωριέ, εργάστηκε για πολλά χρόνια σε επανδρωμένα ορνιθόπτερα με κινητήρα. Τον Ιούλιο του 2006, στο Αεροδρόμιο Μπομπάρντιερ (Bombardier) στο Νταουνσβιού Παρκ (Downsview Park) του Τορόντο, η μηχανή του Καθηγητή Ντελωριέ, η UTIAS Ornithopter No.1 πραγματοποιήσε απογείωση υποβοηθούμενη από αεριώθηση και πτήση 14 δευτερολέπτων. Σύμφωνα με τον Ντελωριέ, η αεριώθηση ήταν αναγκαία για να πραγματοποιηθεί σταθερή πτήση, αλλά η κίνηση των πτερύγων δεν λειτούργησε στο μεγαλύτερο μέρος της πτήσης.
Στις 2 Αυγούστου 2010, ο Τοντ Ράιχερτ του Ινστιτούτου Αεροδιαστημικών Σπουδών του Πανεπιστημίου του Τορόντο χειρίστηκε ανθρωποκίνητο ορνιθόπτερο με το όνομα Snowbird. Με άνοιγμα φτερών 32 μέτρων (105 πόδια) και βάρος 42 κιλών (93 λίβρες) το αεροσκάφος ήταν κατασκευασμένο από ανθρακονήματα, αρμό και αφρολέξ. Ο κυβερνήτης καθόταν σε μικρό πιλοτήριο το οποίο κρεμόταν κάτω από τις πτέρυγες και τραβούσε μια μπάρα με τα πόδια του για να χειριστεί το σύστημα καλωδιώσεων που κινούσαν τις πτέρυγες πάνω και κάτω. Αφού ελκύθηκε από αυτοκίνητο μέχρι να απογειωθεί, στη συνέχεια πραγματοποίησε σταθερή πτήση για περίπου 20 δευτερόλεπτα. Πέταξε για 145 μέτρα με μέση ταχύτητα 25,6 χλμ/ώρα (7,1 μ/δ). Παρόμοιες πτήσεις με αυτή τη μέθοδο απογείωσης πραγματοποιήθηκαν στο παρελθόν, αλλά η βελτιωμένη δυνατότητα συλλογής δεδομένων απέδειξε πως το ορνιθόπτερο είχε την δυνατότητα να πετάξει μόνο του όταν θα βρισκόταν στον αέρα.

Εφαρμογές μη επανδρωμένων ορνιθοπτέρων

Οι πρακτικές εφαρμογές αξιοποιούν την ομοιότητα με τα πτηνά ή τα έντομα. Το Τμήμα Άγριας Ζωής του Κολοράντο χρησιμοποιεί τα ορνιθόπτερα για να βοηθήσει στην διάσωση των υπο εξαφάνιση σοφών περδικών Gunnison. Ένα τεχνητό γεράκι υπό τον έλεγχο ενός χειριστή κάνει τις πέρδικες να παραμένουν στο έδαφφος ώστε αυτές να ληφθούν για μελέτη.
Μιας και τα ορνιθόπτερα κατασκευάζονται για να αναπαριστούν πτηνά ή έντομα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε στρατιωτικές εφαρμογές όπως η εναέρια παρατήρηση χωρίς οι εχθροί να καταλάβουν πως βρίσκονται υπό επιτήρηση. Πολλά ορνιθόπτερα πέταξαν διαθέτοντας βιντεοκάμερες πάνω τους, και μερικά μπορούν να αιωρηθούν και να ελιχθούν σε μικρές περιοχές. Το 2011, η AeroVironment, Inc. παρουσίασε ένα τηλεχειριζόμενο ορνιθόπτερο το οποίο αναπαριστά ένα τεράστιο κολιμπρί για πιθανές κατασκοπευτικές αποστολές.
Η AeroVironment, Inc., τότε υπό την καθοδήγηση του Πωλ Μακκρίντι (Gossamer Albatross) ανέπτυξε στα μέσα της δεκαετίας του 1980, για το Ινστιτούτο Σμιθσόνιαν, μια ραδιοελεγχόμενη ρέπλικα μισής κλίμακας του γιγαντιαίου πτερόσαυρου, Quetzalcoatlus northropi. Κατασκευάστηκε για να συμμετάσχει στην ταινία On the Wing της IMAX. Το μοντέλο αυτό έχει άνοιγμα φτερών 5,5 μέτρων (18 πόδια) και διαθέτει ένα περίπλοκο μηχανογραφημένο σύστημα αυτόματου πιλότου, όπως ο αυθεντικός πτερόσαυρος στηριζόταν στο νευρομυικό σύστημα του για να πραγματοποιεί συνεχείς τροποποιήσεις στο πέταγμα του.
Οι ερευνητές ελπίζουν να περιορίσουν τους κινητήρες και τους μηχανισμούς των παρόντων μοντέλων μιμούμενοι όλο και περισσότερο τους μύες πετάγματος των ζώων. Ο Ρόμπερτ Μίκελσον του Ινστιτούτου Τεχνολογικών Ερευνών της Τζόρτζια αναπτύσσει έναν παλλινδρομικό χημικό μυ για χρήση σε μικρής κλίμακας αεροσκάφη με κινούμενες πτέρυγες. Ο Μίκελσον χρησιμοποεί τον όρο «εντομόπτερο» για αυτό τον τύπο ορνιθοπτέρου. Η SRI International αναπτύσσει πολυμερείς τεχνητούς μύες οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πτήσεις με κινούμενες πτέρυγες.
Το 2002, η Κρίστερ Βολφ και ο Πέτερ Νόρντιν του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας Σάλμερς στην Σουηδία, κατασκεύασαν ένα ρομπότ με κινούμενες πτέρυγες το οποίο έμαθε τις τεχνικές πετάγματος. Η κατασκευή από ξύλο μπάλσας καθοδηγείται από τεχνολογία λογισμικού μηχανικής μάθησης γνωστή και ως σταθερός γραμμικός εξελικτικός αλγόριθμος. Εμπνευσμένο από την φυσική εξέλιξη, το λογισμικό «εξελίσσεται» ως απάντηση στα σχόλια του πόσο καλά λειτούργησε σε ένα έργο. Αν και περιορίζεται ως εργαστηριακή συσκευή, το ορνιθόπτερο τους ανέπτυξε συμπεριφορά για την απόκτηση δύναμης άνωσης και οριζόντιας κίνησης.
Από το 2002, ο Καθηγητής Τέο φαν Χόλτεν εργάζεται πάνω σε ένα ορνιθόπτερο το οποίο κατασκευάζεται ως ελικόπτερο. Η συσκευή ονομάζεται ορνικόπτερο και φτιάχτηκε μέσω της κατασκευής του κυρίως στροφείου ούτως ώστε να μην έχει καθόλου ροπή αντίδρασης.
Το 2008, το Αεροδρόμιο Σχίπχολ άρχισε να χρησιμοποεί ένα ρεαλιστικής όψης μηχανικό γεράκι σχεδιασμένο από τον ιερακοτρόφο Ρόμπερτ Μούστερς. Το ραδιοελεγχόμενο πτηνό ρομπότ χρησιμοποιείται για να τρομάχει τα πουλιά ώστε αυτά να φεύγουν μακριά από τους κινητήρες των αεροπλάνων τους οποίους μπορούν να καταστρέψουν.
Τον Μάρτιο του 2011, επιστήμονες και μηχανικοί από το Δίκτυο Βιονικής Μάθησης Festo παρουσίασαν ένα ρομποτικό SmartBird, βασισμένο στην κίνηση του γλάρου. Το SmartBird ζυγίζει μόνο 450 γραμμάρια και ελέγχεται από ραδιοχειριστήριο. Σε εικόνα το πέταγμα του φαίνεται αξιοσημείωτα ρεαλιστικό.
Το 2014, η Clear Flight Solutions, υποτμήμα του Πανεπιστημίου του Τβέντε, άρχισε αν κατασκευάζει τεχνητά αρπακτικά πτηνά (ονομαζόμενα Robird) για αεροδρόμια, καλλιέργειες και χώρους διαχείρισης απορριμάτων.

Ορνιθόπτερα ως μέσο ψυχαγωγίας

Οι χομπίστες μπορούν να κατασκευάσουν και να πετάξουν τα δικά τους ορνιθόπτερα. Αυτά εκτείνονται από ελαφροβαριά μοντέλα τροφοδοτούμενα από λαστιχάκια έως μεγαλύτερα με τηλεχειρισμό.
Τα μοντέλα με λαστιχάκια μπορούν να είναι σχετικά απλά σε σχεδιασμό και κατασκευή. Οι χομπίστες συναγωνίζονται για τους μεγαλύτερους χρόνους πτήσης με τα μοντέλα αυτά. Ένα εισαγωγικό μοντέλο μπορεί να είναι σχετικά απλό σε σχέδιο και κατασκευή, αλλά τα μοντέλα μεγάλου ανταγωνισμού είναι εξαιρετικά ευπαθή και προκλητικά στην κατασκευή. Ο Ρόι Γουάιτ κατέχει το εθνικό ρεκόρ των Ηνωμένων Πολιτειών για εσωτερική πτήση σκάφους με λαστιχάκια, με χρόνο 21 λεπτών και 44 δευτερολέπτων.
Τα εμπορικά ορνιθόπτερα παιχνίδια ελεύθερης πτήσης τροφοδοτούμενα από λαστιχάκια κυκλοφορουν εδώ και πολλά χρόνια. Το πρώτο από αυτά πωλήθηκε με το όνομα Tim Bird στο Παρίσι το 1879. Τα μεταγενέστερα μοντέλα πωλήθηκαν επίσης ως Tim Bird (κατασκευασμένα από τον Γκι ντε Ρουιμπέκε στην Γαλλία, από το 1969).
Τα εμπορικά τηλεχειριζόμενα μοντέλα ξεκινώντας από τα μηχανοκίνητα Seagulls του Πέρσιβαλ Σπένσερ, που αναπτύχθηκαν περίπου το 1958, και το έργο του Σεν Κινκέιντ από τα τέλη της δεκαετίας του 1990 έως και τις μέρες μας. Οι πτέρυγες κινούνται συνήθως από ηλεκτρικό κινητήρα. Πολλοί χομπίστες πειραματίζονται με τα δικά τους νέα σχέδια και μηχανισμούς. Η ευκαιρία διάδρασης με πραγματικά πτηνά και η κτήση τους πάνω σε αυτά προσθέτει περισσότερη ευχαρίστηση σε αυτό το χόμπι. Τα πτηνά είναι συνήθως περίεργα και ακολουθούν ή εξερευνούν το σκάφος καθώς αυτό πετά. Σε ελάχιστες περιπτώσεις, τα τεχνητά πτηνά δέχθηκαν επιθέσεις από αρπακτικά πτηνά, κοράκια ακόμη και γάτες. Τα πιο πρόσφατα φθηνά μοντέλα όπως το Dragonfly της WowWee επεκτάθηκε από την αγορά για τους προσηλωμένους χομπίστες στην γενική αγορά παιχνιδιών.
Τα ορνιθόπτερα είναι επίσης πεδίο ενδιαφέροντος στην Ολυμπιάδα Επιστήμης. Το συμβάν απαιτεί την χρήση ενός κτιρίου όπου τα αυτοκινούμενα ορνιθόπτερα ώστε να εξεταστούν τα χαρακτηριστικά τους. Οι πόντοι δίνονται στον μεγαλύτερο χρόνο πτήσης και το χαμηλότερο βάρος. Εάν το ορνιθόπτερο μοιάζει με πραγματικό πτηνό τότε του απονέμονται βαθμοί μπόνους.

Αεροδυναμική

Όπως φαίνεται και από τα πτηνά, οι κινούμενες πτέρυγες προσφέρουν δυνητικά πλεονεκτήματα στους ελιγμούς και την εξοικονόμηση ενέργειας σε σύγκριση με τα αεροσκάφη σταθερών πτερύγων, καθώς και σε πιθανή κάθετη προγείωση ή απογείωση. Θεωρήθηκε πως αυτά τα πλεονεκτήματα είναι μεγαλύτερα σε μικρά μεγέθη και μικρές ταχύτητες πτήσης.
Εν αντιθέσει με τα αεροπλάνα και τα ελικόπτερα, οι κινούμενες αεροτομές των ορνιθοπτέρων έχουν κίνηση φτερουγίσματος ή ταλάντωσης, αντί για περιστροφική. Όπως συμβαίνει και με τα ελικόπτερα, οι πτέρυγες έχουν συνήθως μια συνδυασμενη λειτουργία που παρέχει τόσο άνωση όσο και ώθηση. Θεωρητικά, οι κινούμενες πτέρυγες μπορούν να τεθούν σε μηδενική γωνία προσβολής κατά την ανοδική κίνηση, και έτσι προχωρά με ευκολία στον αέρα. Μιας και τυπικά οι κινούμενες αεροτοτμές παράγουν τόσο άνωση όσο και ώθηση, οι δομές που προκαλούν αντίσταση είναι περιορισμένες. Αυτά τα δύο πλεονεκτήματα επιτρέπουν μεγαλύτερο βαθμό αποτελσματικότητας.

Σχεδιασμός πτερύγων

Έαν τα μελλοντικά επανδρωμένα ορνιθόπτερα με κινητήρες παύσουν να είναι «εξωτικά», φανταστικά, και μη ρεαλιστικά αεροσκάφη και ξεκινήσουν να εξυπηρετούν ανθρώπους ως τα μικρά μέλη της οικογένειας των αεροσκαφών, οι σχεδιαστές και οι μηχανικοί θα χρειαστεί να λύσουν όχι μόνο τα προβλήματα σχεδιασμού των πτερύγων αλλά και πολλά άλλα προβλήματα συμπεριλαμβανομένων και των διαδικασιών για να τα κάνουν ασφαλή και αξιόπιστα αεροσκάφη. Μερικά από αυτά τα προβλήματα, όπως η σταθερότητα, η δυνατότητα ελέγχου, και η αντοχή, είναι συμφυή σε όλα τα αεροσκάφη. Άλλα προβλήματα ειδικά για ορνιθόπτερα, θα εμφανιστούν. Η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των κινούμενων πτερύγων είναι μόνο ένα από αυτά.
Ένα αποτελεσματικό ορνιθόπτερο πρέπει να διαθέτει πτέρυγες με την δυνατότητα παραγωγής τόσο ώθησης, της δύναμης που κινεί το σκάφος μπροστά, και άνωσης, της δύναμης (κάθετη στην διεύθυνση της πτήσης) η οποία κρατά το σκάφος στον αέρα. Αυτές οι δυνάμεις πρέπει να είναι αρκετά ισχυρές ώστε να αντιμετωπίσουν τα φαινόμενα της αντίστασης και του βάρους του σκάφους.
Τα σχέδια ορνιθοπτέρων του Λεονάρντο εμπνεύστηκαν από την μελέτη που πραγματοποίησε στα πτηνά, και συνέλαβε την χρήση της κίνησης του φτερουγίσματος για να δημιουργηθεί άνωση καθώς και να παρέχει εμπρόσθια κίνηση η οποία είναι αναγκαία για την αεροδυναμική άνωση. Ωστόσο, η χρήση υλικών την εποχή εκείνη θα έκανε το αεροσκάφος πολύ βαρύ και θα απαιτούνταν αρκετή ενέργεια για να παραχθεί επαρκής άνωση ή ώθηση για την πτήση. Ο Αλφόνς Πενώ παρουσίασε την ιδέα ενός μηχανοκίνητου ορνιθόπτερου το 1874. Το μοντέλο του είχε περιορισμένη ισχύ και ήταν μη ελεγχόμενο, κάτι που οδήγησε στην μετατροπή του σε παιδικό παιχνίδι. Σε πιο πρόσφατα οχήματα, όπως τα ανθρωποκίνητα ορνιθόπτερα του Λίπις (1929) και του Έμιλ Χάρτμαν (1959), ήταν πρακτικά ανεμόπτερα, αλλά χρειαζόταν ένα όχημα να τα ελκύσει ώστε να απογειωθούν και ίσως για να αποκτήσουν επαρκή άνωση για σταθερή πτήση. Το ορνιθόπτερο του Χάρτμαν υστερούσε το θεωρητικό υπόβαθρο των άλλων με βάση την μελέτη της πτήσης με πτέρυγες, αλλά διευκρίνιζε την ιδέα ενός ορνιθοπτέρου ως μηχανή σε σχήμα πτηνού παρά ως μηχανή που αντιγράφει την μέθοδο πετάγματος των πτηνών. Η δεκαετία του 1960 είδε τα μηχανοκίνητα μη επανδρωμένα ορνιθόπτερα διάφορων μεγεθών να πετυχαίνουν σταθερή πτήση, παρέχοντας πολύτιμα πραγματικά παραδείγματα της πτήσης με μηχανικές πτέρυγες. Το 1991, οι Χάρις και Ντελωριέ πέταξαν με το πρώτο επιτυχημένο τηλεχειριζόμενο ορνιθόπτερο στο Τορόντο του Καναδά. Το 1999, πέταξε ένα επανδρωμένο ορνιθόπτερο που βασίστηκε σε αυτό το σχέδιο, με την δυνατότητα απογείωσης από το επίπεδο της γης και της εκτέλεσης σταθερής πτήσης.
Οι κινούμενες πτέρυγες ενός ορνιθοπτέρου και η κίνηση τους διαμέσω του αέρα σχεδιάζονται για να μεγιστοποιήσουν την ποσότητα άνωσης που δημιουργείται εντός των ορίων του βάρους, της αντοχής των υλικών και της μηχανικής περιπλοκότητας. Ένα ευέλικτο υλικό στην πτέρυγα μπορεί να αυξήσει την αποτελεσματικότητα ενώ διατηρεί τον μηχανισμό κίνησης απλό. Σε σχέδια πτερύγων με τον δοκό επαρκώς πιο μπροστά από την αεροτομή όπου το αεροδυναμικό κέντρο είναι πίσω από τον ελαστικό άξονα της πτέρυγας, η αεροελαστική παραμόρφωση κάνει την πτέρυγα να κινηθεί κατά κάποιο τρόπο κοντά στην ιδανική του αποτελεσματικότητα (στην οποία η γωνίες ρίψης καθυστερούν τις βυθίσεις της μετατόπισης κατά περίπου 90 μοίρες.) Οι κινούμενες πτέρυγες αυξάνουν την αντίσταση και δεν είναι τόσο αποτελεσματικές όπως τα αεροσκάφη με έλικες. Μερικά μοντέλα επιτυγχάνουν βελτιωμένη αποτελεσματικότητα εφαρμόζοντας περισσότερη ισχύ στην καθοδική κίνηση παρά στην ανοδική, όπως κάνουν και τα περισσότερα πτηνά.
Με σκοπό την επίτευξη της επιθυμητής ευελιξίας και του ελάχιστου βάρους, οι μηχανικοί και οι ερευνητές πειραματίστηκαν με πτέρυγες που χρειάζονται ίνες άνθρακα, κόντρες πλακέ, ύφασμα και ραβδώσεις, με δύσκαμπτες πλευρές ισχυρής έλκυσης. Οποιαδήποτε μάζα τοποθετημένη πίσω από το ουραίο πτέρωμα μειώνει την επίδοση του αεροσκάφους, έτσι τα ελαφρά υλικά και το κενό διάστημα χρησιμοποιούνται όπου είναι δυνατό. Για την ελαχιστοποίηση της αντίστασης και την διατήρηση του επιθυμητού σχεδίου, η επιλογή υλικού για την επιφάνεια της πτέρυγας είναι εξίσου σημαντική. Στα πειράματα του Ντελωριέ, μια ομαλή αεροδυναμική επιφάνεια με αεροτομή διπλής επιφανείας είναι πιο αποτελεσματική στην παραγωγή άνωσης παρά μια αεροτομή απλής επιφανείας.
Άλλα ορνιθόπτερα δεν λειτουργούν απαραίτητα όπως τα πτηνά ή οι νυχτερίδες εν πτήσει. Κατά κανόνα τα πτηνά και οι νυχτερίδες έχουν λεπτά και κυρτά φτερά για να δημιουργούν άνωση και ώθηση. Τα ορνιθόπτερα με λεπτότερες πτέρυγες έχουν περιορισμένη γωνία προσβολής αλλά έχουν την δυνατότητα για επιδόσεις μειωμένης αντίστασης για τον συντελεστή της απλής άνωσης.
Αν και τα κολιμπρία πετούν με τα φτερά τους πλήρως ανοιχτά, μια τέτοιου είδους πτήση δεν είναι δυνατή σε ένα ορνιθόπτερο. Εάν μια πτέρυγα ορνιθοπτέρου εκτεινόταν πλήρως, περιστρεφόταν και φτερούγιζε σε μικρές κινήσεις θα προκαλούσε απώλειες ισορροπίας, και αν χρειαζόταν να περιστραφεί και να φτερουγίσει με πολύ μεγάλες κινήσεις, θα λειτουργούσε ως ανεμόμυλος προκαλώντας μη αποτελεσματική πτητική κατάσταση.
Μια ομάδα μηχανικών και ερευνητών με το όνομα "Fullwing" δημιούργησε ένα ορνιθόπτερο το οποίο είχε μέση άνωση σε 8 λιβρών, και 0,88 λίβρες μέσης ώθησης, με προωθητική αποτελσματικότητα 54%. Οι πτέρυγες δοκιμάστηκαν σε αεροδυναμικές σήραγγες με χαμηλή ταχύτητα μετρώντας τις αεροδυναμικές επιδόσεις, αποδεικνύοντας πως όσο μεγαλύτερη ήταν η συχνότητα του χτύπου της πτέργυας, τόσο υψηλότερη και η μέση ώθηση του ορνιθόπτερου.