Experimentelle Quantifizierung und numerische Simulation instationärer Strömungsverhältnisse bei Freiflugmanövern von Insekten

• Antragsteller: Professor Dr. Fritz-Olaf Lehmann; Professor Dr.-Ing. Claus Wagner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 27787963

Die Stabilisierung von Flugkräften im Manövrierflug stellt hohe Anforderungen an das senso-motorische System fliegender Insekten. Bis heute weitgehend unverstanden sind die komplizierten Wechselwirkungen zwischen Flügelbewegungen und induzierter Strömung bei Flugmanövern, bei denen Strömungsmuster, Kräfte und Momente durch die Eigenbewegung des Tiers im Raum stetig verändert werden. Für die gezielte Aufrechterhaltung eines Manövers muss der Organismus entsprechend die Bewegungen der Flügel an das selbstinduzierte Strömungsfeld dynamisch anpassen. Entfällt diese sensorische Rückmeldung, verändert sich die (vorgeplante) Körperbewegung des Tiers während des Manövers durch die Wechselwirkung der Flügel mit dem, durch vorausgegangene Flügelschläge produziertem Strömungsfeld. Die Untersuchung dieses Problems ist Gegenstand dieses Antrags für das SPP1207. Das Projekt soll in zwei Teilen erfolgen. In einem ersten Teil werden Sequenzen von Flügelbewegungen einer fixiert fliegenden Taufliege Drosophila im Flugsimulator kinematisch rekonstruiert. Steuermanöver wie schnelle Drehungen um die Hochachse (Sakkaden), den Landeanflug oder optomotorische Reaktionen können dabei durch die Präsentation von bewegten visuellen Mustern gezielt induziert werden. Anschließend sollen die gemessenen kinematischen Daten die Flügel einen dynamischskalierten Roboters antreiben, der zeitaufgelöst aerodynamische Kräfte und Momente messen kann. Um die Bedeutung von Körpereigenbewegungen abzuschätzen werden aerodynamische Kenngrößen bei zwei Versuchsbedingungen verglichen: (i) bei stationär schlagenden Modellflügeln, und (ii) bei der physikalischen Simulation von Freiflugmanövern, bei dem das robotische System mittels einer Aufhängung und unter Einbeziehung einer simulierten Körperdynamik, entsprechend der erzeugten Kräfte und Momente in allen Raumdimensionen bewegt und gedreht wird. Der Unterschied zwischen beiden experimentellen Ergebnissen lässt Rückschlüsse auf die Bedeutung von Körperbewegungen bei Manövern zu und erlaubt es die zugrundeliegenden Flugkontroll-Algorithmen experimentell abzuschätzen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1207: Strömungsbeeinflussung in der Natur und Technik