Forskare från Brown University har designat en ny typ av vingar som kan göra små fastvingade drönare mycket mer stabila och effektiva.

Den nya vingen ersätter den släta konturen som finns på framkanterna på de flesta flygplanvingar med en tjock platt platta och en skarp framkant. Kontraintuitivt som det kan tyckas, det visar sig att designen har tydliga aerodynamiska fördelar i skala med små drönare. I ett papper publicerat i Science Robotics , forskarna visar att den nya vingen är mycket stabilare än vanliga vingar inför plötsliga vindbyar och andra typer av turbulens, som ofta orsakar förödelse på små flygplan. Vingen ger också en aerodynamiskt effektiv flygning som ger bättre batteritid och längre flygtider.

"Små drönare kan verkligen vara användbara i många applikationer, inklusive flygningar i befolkade områden eftersom de i sig är säkrare för människor, men det finns problem med att driva flygplan i de små skalorna, "sa Kenny Breuer, en professor i Brown's School of Engineering och studiens seniorförfattare. "De tenderar att vara ineffektiva, vilket begränsar batteridrivna flygtider för de flesta drönare till cirka 30 minuter eller så. De tenderar också att blåsa runt av vindar och turbulent luft som kommer från hinder som byggnader och träd. Så vi har tänkt på en vingdesign som kan bekämpa dessa problem. "

Idén till en vinge som undviker de släta konturerna på en normal vings framkant inspirerades av naturliga flygblad som fåglar och insekter. En slät framkant hjälper till att hålla luftflödet stadigt fäst vid vingen. Men fågel- och insektsvingar har vanligtvis ganska grova och skarpa framkanter för att främja separering av luftflödet. Flödesavskiljning orsakar effektivitetsproblem för stora flygplan, men det verkar fungera bra för fåglar och insekter.

"Djur i liten skala försöker inte hålla flödet fäst, "Sa Breuer." De gav upp det för 100 miljoner år sedan. När du slutar försöka hålla flödet ständigt anslutet, det gör ironiskt nog vissa saker. "

Den nya vingen - kallad "Separated Flow Airfoil" - designades av Matteo Di Luca, en doktorand på Brown och studiens huvudförfattare. Tanken är att avsiktligt separera flödet i framkant, vilket något kontraintuitivt får flödet att återfästa mer konsekvent innan det når bakkanten. Denna återfästning stöds av en liten rundad flik placerad nära vingens bakkant. Designen möjliggör mer effektiv, mer stabil flygning i skala flygplan med vingspann på cirka en fot eller mindre.

Anledningen till att designen fungerar har att göra med egenskaperna vid små skalor av gränsskiktet, det tunna luftlagret som är direkt i kontakt med vingen. I storleken på passagerarflygplan, gränsskiktet är alltid turbulent - fullt av små virvlar och virvlar. Den turbulensen håller gränsskiktet mot vingen, hålla den ordentligt fäst. I små vågar, dock, gränsskiktet tenderar att vara laminärt. Ett laminärt gränsskikt separeras lätt från vingen och fäster ofta aldrig igen, vilket leder till ökat motstånd och minskat lyft.

Ytterligare komplicerade är fristreamen turbulens - vindbyar, virvlar och andra störningar i den omgivande luften. Den fristreamade turbulensen kan plötsligt framkalla turbulens i ett gränsskikt, som fäster flödet och inducerar ett plötsligt skott av ökat lyft. Snabba lyftfluktuationer kan vara mer än en dröns kontrollsystem kan hantera, som leder till instabil flygning.

Separated Flow -vingen kan hantera dessa frågor.

"När vi avsiktligt separerar flödet i framkant, vi får det att genast bli turbulent, vilket tvingar den att åter ansluta vid en konsekvent punkt oavsett atmosfärisk turbulens "Di Luca sa." Det ger oss mer konsekvent lyft och överlag bättre prestanda. "

Testning av Separated Flow Airfoil i en vindtunnel visade att konstruktionen framgångsrikt utjämnade lyftfluktuationer som är förknippade med friluftsturbulens. Teamet utförde också vindtunneltester av en liten propellerdriven drönare utrustad med Separated Flow-vingen. Dessa tester visade att den ökade aerodynamiska effektiviteten resulterade i en minskad minsta kryssningseffekt jämfört med vanliga miniatyrdrönare. Det leder till förlängd batteritid.

"Med prototypen vi har, vi har lite mindre än 3 timmars flygtid i vindtunneln, "Sade Di Luca." Vindtunneln är en idealiserad miljö, så vi förväntar oss inte att det skulle vara så länge för ett utomhusflyg. Men om det varar hälften så länge som det gjorde i vindtunneln, Det är fortfarande mer än dubbelt så mycket flyg som kommersiellt tillgängliga drönare. "

Det finns andra fördelar med designen utöver bättre aerodynamisk prestanda. Den separerade flödesvingan kan vara mycket tjockare än vingar som normalt används i små drönare. Det gör vingarna strukturellt starkare så delsystem som batterier, antenner eller solpaneler kan integreras i vingen. Det kan minska storleken på ett aerodynamiskt besvärligt flygkropp - eller eliminera behovet av en helt och hållet.

Forskarna har patent på sin design och planerar att fortsätta förfina den för ännu bättre prestanda.