布朗大学的研究人员设计了一种新型机翼，可以使小型固定翼无人机更加稳定和高效。
具有全新机翼设计的小型无人机原型。新机翼用厚的平板和锋利的前缘代替了大多数飞机机翼前缘上的光滑轮廓。看起来似乎违反直觉，但事实证明，该设计在小型无人机的规模上具有明显的空气动力学优势。在《科学机器人》杂志上发表的一篇论文中，研究人员表明，面对突然的阵风和其他类型的湍流（通常在小型飞机上造成严重破坏），新机翼比标准机翼要稳定得多。机翼还保证了空气动力学上高效的飞行，从而可以延长电池寿命并延长飞行时间。
论文的主要作者，布朗工程学院教授肯尼·布鲁尔说：“它们往往效率低下，这将大多数无人机的电池供电飞行时间限制在大约30分钟左右。它们还容易被来自障碍物（例如建筑物和树木）的吹来的风吹散。所以我们一直在考虑可能解决这些问题的机翼设计。”
机翼不使用正常机翼前缘的光滑轮廓的想法是受鸟类和昆虫等自然飞行物启发的。光滑的前缘有助于保持气流牢固地附着在机翼上。但是鸟和昆虫的翅膀通常具有相当粗糙且锋利的前缘，以促进气流的分离。气流分离对大型飞机造成效率问题，但似乎对鸟类和昆虫来说效果很好。
布鲁尔说：“小规模的动物不会试图保持顺畅的流动。他们1亿年前就放弃了这种设计。一旦您停止尝试使气流附着在机翼上，具有讽刺意味的是，这使事情变得容易了。”
新机翼被称为“气流分离翼型”，由布朗的研究生，研究的第一作者马特奥·迪·卢卡（Matteo Di Luca）设计。这个想法是有意地分离前缘处的气流，这有点违反直觉，导致气流在到达后缘之前更稳定地重新附着。机翼后缘附近有一个小的圆形襟翼。该设计可以使翼展约为1英尺或更小的飞机规模实现更高效，更稳定的飞行。
设计起作用的原因与小范围边界层的特性有关，边界层是与机翼直接接触的薄空气层。在客机的规模上，边界层始终是湍流的-充满了微小的漩涡。湍流使边界层紧贴机翼，使其牢牢固定。然而，在小范围内，边界层倾向于是层状的。层流边界层很容易与机翼分离，并且通常不会重新附着，从而导致阻力增加和升力降低。
传统翼型导致波动 图片来源：布鲁尔实验室/布朗大学
令气流更复杂的问题是湍流，涡流和周围空气的其他干扰。自由流动的湍流会突然在边界层中引起湍流，边界层会附加流动并引起升力突然增加。快速的起伏波动可能超出无人机的控制系统所能承受的范围，从而导致飞行不稳定。
气流分离机翼能够解决这些问题。
迪·卢卡说：“当我们有意识地在前缘分离气流时，我们会使其立即变成湍流，这迫使它在一致的点处重新附着，无论大气湍流如何。这为我们提供了更一致的提升力和总体上更好的性能。”
气流分离翼型解决了气流波动问题 图片来源：布鲁尔实验室/布朗大学
在风洞中气流分离翼型的测试表明，该设计成功地消除了与自由湍流相关的升力波动。该团队还对配备有气流分离机翼的小型螺旋桨驱动无人机进行了风洞测试。这些测试表明，与标准微型无人机相比，提高的空气动力学效率导致最低巡航功率降低。这可以延长电池寿命。
迪·卢卡说：“有了原型机，我们在风洞中的飞行时间接近3小时。风洞是理想化的环境，因此我们不指望它在户外飞行中能持续这么长时间。但是，如果持续时间达到风洞中的一半，那么它仍然是商业无人机的两倍以上。”
除了更好的空气动力学性能，设计还有其他好处。气流分离机翼可能比通常用于小型无人机的机翼厚得多。这使得机翼在结构上更坚固，因此可以将电池，天线或太阳能电池板等子系统集成到机翼中。这样可以减小引起空气动力学麻烦的机身的尺寸，或者完全不需要。
研究人员在其设计上拥有一项专利，并计划继续对其进行改进以提高性能。
閱讀更多 孜然實驗室 的文章
