布朗大學的研究人員設計了一種新型機翼，可以使小型固定翼無人機更加穩(wěn)定高效。

新的機翼用厚板和鋒利的前緣取代了大多數(shù)飛機機翼前緣的光滑輪廓。

這聽起來可能不合理，但事實證明，這種設計在小型無人機上具有明顯的空氣動力學優(yōu)勢。在《科學機器人》 (Science Robotics)雜志發(fā)表的一篇論文中，研究人員表示，面對突如其來的陣風和其他類型的湍流，這種新型機翼比標準機翼穩(wěn)定得多。機翼還提供了空氣動力學上的高效飛行，這轉(zhuǎn)化為更好的電池壽命和更長的飛行時間。

該研究的資深作者、布朗大學工程學院教授肯尼布魯爾說，“小型無人機在許多應用中非常有用，包括在人口密集地區(qū)飛行，因為它們對人類來說本來就更安全，但在這些小規(guī)模上操作飛機存在問題?！薄八鼈兺ǔＰ实拖?，這將大多數(shù)無人機的電池供電飛行時間限制在30分鐘左右。它們也很容易被風和湍流空氣從建筑物和樹木等障礙物上吹走。所以我們一直在考慮能夠解決這些問題的機翼設計?！?

機翼設計的靈感來自鳥類和昆蟲等自然飛禽。平滑的前緣有助于保持氣流牢固地附著在機翼上。但是鳥類和昆蟲的翅膀通常具有相當粗糙和尖銳的前緣，以促進氣流的分離?？諝夥蛛x給大型飛機帶來了效率問題，但似乎對鳥類和昆蟲很有效。

布魯爾說：“小動物不會試圖保持水流?！薄八麄冊谝粌|年前就放棄了。具有諷刺意味的是，一旦你停止努力保持流量，它會讓一些事情變得更容易?！?

新的機翼——被稱為“分離流翼型”，由布朗大學研究生、這項研究的第一作者Matteo Di Luca設計。這個想法是故意在前緣分離氣流，這在某種程度上與直覺相反，導致氣流在到達后緣之前更一致地重新附著。機翼后緣附近有一個小的圓形襟翼，有助于重新連接。這種設計可以使飛機在翼展小于1英尺時飛行更高效、更穩(wěn)定。

設計的原因在于邊界層的小尺度特性，即與機翼直接接觸的空氣薄層。在客機的尺度上，邊界層總是湍流的，充滿微小的渦流。湍流使邊界層緊貼在機翼上，使它緊緊地附著在機翼上。然而，在小范圍內(nèi)，邊界層通常是層流。層流很容易與機翼分離，通常不會重新附著，這導致阻力增加和升力減小。

更復雜的問題是自由流湍流風、渦流和空氣中的其他擾動。自由流湍流會突然在附著在氣流上的邊界層中引起湍流，導致升力突然增加。無人機的控制系統(tǒng)無法承受快速的升力波動，導致飛行不穩(wěn)定。

分離流動翼可以處理這些問題。

迪盧卡說：“當我們有意識地在前緣分離氣流時，我們會使它立即湍流，這迫使它在一致的點重新附著，而不管大氣湍流。”“這給了我們更持久的改善和更好的整體表現(xiàn)?！?

分離流翼型風洞試驗表明，該設計成功地消除了自由流湍流引起的升力波動。該團隊還對一架配備分離流機翼的小型螺旋槳驅(qū)動無人機進行了風洞試驗。這些試驗表明，與標準微型無人機相比，氣動效率的提高導致最小巡航功率的降低。這意味著電池壽命延長。

迪盧卡說：“根據(jù)我們現(xiàn)有的原型機，我們在風洞中的飛行時間不到3個小時。“風洞是一個理想的環(huán)境，所以我們不希望它在戶外飛行中持續(xù)這么長時間。但即使它的持續(xù)時間只有風洞的一半，也是商用無人機的兩倍多?！?

除了更好的空氣動力學性能，該設計還有其他好處。分離流機翼比小型無人機常用的機翼厚得多。這使得機翼結(jié)構(gòu)更加堅固，因此電池、天線或太陽能電池板等子系統(tǒng)可以集成到機翼中。這可能會將氣動重型機身的尺寸縮小——或完全取消。

研究人員已經(jīng)為他們的設計申請了專利，并計劃繼續(xù)提高他們的性能。

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