布朗大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)翼，可以使小型固定翼無人機(jī)更加穩(wěn)定高效。

新的機(jī)翼用厚板和鋒利的前緣取代了大多數(shù)飛機(jī)機(jī)翼前緣的光滑輪廓。

這聽起來可能不合理，但事實(shí)證明，這種設(shè)計(jì)在小型無人機(jī)上具有明顯的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢。在《科學(xué)機(jī)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(fēng)和其他類型的湍流，這種新型機(jī)翼比標(biāo)準(zhǔn)機(jī)翼穩(wěn)定得多。機(jī)翼還提供了空氣動(dòng)力學(xué)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(shí)間。

該研究的資深作者、布朗大學(xué)工程學(xué)院教授肯尼布魯爾說，“小型無人機(jī)在許多應(yīng)用中非常有用，包括在人口密集地區(qū)飛行，因?yàn)樗鼈儗θ祟悂碚f本來就更安全，但在這些小規(guī)模上操作飛機(jī)存在問題。”“它們通常效率低下，這將大多數(shù)無人機(jī)的電池供電飛行時(shí)間限制在30分鐘左右。它們也很容易被風(fēng)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(jī)翼設(shè)計(jì)?！?

機(jī)翼設(shè)計(jì)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(jī)翼上。但是鳥類和昆蟲的翅膀通常具有相當(dāng)粗糙和尖銳的前緣，以促進(jìn)氣流的分離?？諝夥蛛x給大型飛機(jī)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(dòng)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(jī)翼——被稱為“分離流翼型”，由布朗大學(xué)研究生、這項(xiàng)研究的第一作者M(jìn)atteo Di Luca設(shè)計(jì)。這個(gè)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(dǎo)致氣流在到達(dá)后緣之前更一致地重新附著。機(jī)翼后緣附近有一個(gè)小的圓形襟翼，有助于重新連接。這種設(shè)計(jì)可以使飛機(jī)在翼展小于1英尺時(shí)飛行更高效、更穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)的原因在于邊界層的小尺度特性，即與機(jī)翼直接接觸的空氣薄層。在客機(jī)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(jī)翼上，使它緊緊地附著在機(jī)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(jī)翼分離，通常不會重新附著，這導(dǎo)致阻力增加和升力減小。

更復(fù)雜的問題是自由流湍流風(fēng)、渦流和空氣中的其他擾動(dòng)。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(dǎo)致升力突然增加。無人機(jī)的控制系統(tǒng)無法承受快速的升力波動(dòng)，導(dǎo)致飛行不穩(wěn)定。

分離流動(dòng)翼可以處理這些問題。

迪盧卡說：“當(dāng)我們有意識地在前緣分離氣流時(shí)，我們會使它立即湍流，這迫使它在一致的點(diǎn)重新附著，而不管大氣湍流?！薄斑@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(fēng)洞試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)成功地消除了自由流湍流引起的升力波動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)還對一架配備分離流機(jī)翼的小型螺旋槳驅(qū)動(dòng)無人機(jī)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。這些試驗(yàn)表明，與標(biāo)準(zhǔn)微型無人機(jī)相比，氣動(dòng)效率的提高導(dǎo)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(jī)，我們在風(fēng)洞中的飛行時(shí)間不到3個(gè)小時(shí)?！帮L(fēng)洞是一個(gè)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(shí)間。但即使它的持續(xù)時(shí)間只有風(fēng)洞的一半，也是商用無人機(jī)的兩倍多?！?

除了更好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，該設(shè)計(jì)還有其他好處。分離流機(jī)翼比小型無人機(jī)常用的機(jī)翼厚得多。這使得機(jī)翼結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)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(jī)翼中。這可能會將氣動(dòng)重型機(jī)身的尺寸縮小——或完全取消。

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

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