研究人員開發了尖銳的反直覺機翼,空氣動力學效果反而更好

圖片：布魯爾實驗室/布朗大學

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定和高效。

具有全新機翼設計的小型無人機原型。新機翼用厚的平板和鋒利的前緣代替了大多數飛機機翼前緣上的光滑輪廓。看起來似乎違反直覺，但事實證明，該設計在小型無人機的規模上具有明顯的空氣動力學優勢。在《科學機器人》雜誌上發表的一篇論文中，研究人員表明，面對突然的陣風和其他類型的湍流（通常在小型飛機上造成嚴重破壞），新機翼比標準機翼要穩定得多。機翼還保證了空氣動力學上高效的飛行，從而可以延長電池壽命並延長飛行時間。

論文的主要作者，布朗工程學院教授肯尼·布魯爾說：「它們往往效率低下，這將大多數無人機的電池供電飛行時間限制在大約30分鐘左右。它們還容易被來自障礙物（例如建築物和樹木）的吹來的風吹散。所以我們一直在考慮可能解決這些問題的機翼設計。」

機翼不使用正常機翼前緣的光滑輪廓的想法是受鳥類和昆蟲等自然飛行物啟發的。光滑的前緣有助於保持氣流牢固地附著在機翼上。但是鳥和昆蟲的翅膀通常具有相當粗糙且鋒利的前緣，以促進氣流的分離。氣流分離對大型飛機造成效率問題，但似乎對鳥類和昆蟲來說效果很好。

布魯爾說：「小規模的動物不會試圖保持順暢的流動。他們1億年前就放棄了這種設計。一旦您停止嘗試使氣流附著在機翼上，具有諷刺意味的是，這使事情變得容易了。」

圖片：布魯爾實驗室/布朗大學

新機翼被稱為「氣流分離翼型」，由布朗的研究生，研究的第一作者馬特奧·迪·盧卡（Matteo Di Luca）設計。這個想法是有意地分離前緣處的氣流，這有點違反直覺，導致氣流在到達後緣之前更穩定地重新附著。機翼後緣附近有一個小的圓形襟翼。該設計可以使翼展約為1英尺或更小的飛機規模實現更高效，更穩定的飛行。

設計起作用的原因與小範圍邊界層的特性有關，邊界層是與機翼直接接觸的薄空氣層。在客機的規模上，邊界層始終是湍流的-充滿了微小的漩渦。湍流使邊界層緊貼機翼，使其牢牢固定。然而，在小範圍內，邊界層傾向於是層狀的。層流邊界層很容易與機翼分離，並且通常不會重新附著，從而導致阻力增加和升力降低。

傳統翼型導致波動 圖片來源：布魯爾實驗室/布朗大學

令氣流更複雜的問題是湍流，渦流和周圍空氣的其他幹擾。自由流動的湍流會突然在邊界層中引起湍流，邊界層會附加流動並引起升力突然增加。快速的起伏波動可能超出無人機的控制系統所能承受的範圍，從而導致飛行不穩定。

氣流分離機翼能夠解決這些問題。

迪·盧卡說：「當我們有意識地在前緣分離氣流時，我們會使其立即變成湍流，這迫使它在一致的點處重新附著，無論大氣湍流如何。這為我們提供了更一致的提升力和總體上更好的性能。」

氣流分離翼型解決了氣流波動問題 圖片來源：布魯爾實驗室/布朗大學

在風洞中氣流分離翼型的測試表明，該設計成功地消除了與自由湍流相關的升力波動。該團隊還對配備有氣流分離機翼的小型螺旋槳驅動無人機進行了風洞測試。這些測試表明，與標準微型無人機相比，提高的空氣動力學效率導致最低巡航功率降低。這可以延長電池壽命。

迪·盧卡說：「有了原型機，我們在風洞中的飛行時間接近3小時。風洞是理想化的環境，因此我們不指望它在戶外飛行中能持續這麼長時間。但是，如果持續時間達到風洞中的一半，那麼它仍然是商業無人機的兩倍以上。」

除了更好的空氣動力學性能，設計還有其他好處。氣流分離機翼可能比通常用於小型無人機的機翼厚得多。這使得機翼在結構上更堅固，因此可以將電池，天線或太陽能電池板等子系統集成到機翼中。這樣可以減小引起空氣動力學麻煩的機身的尺寸，或者完全不需要。

研究人員在其設計上擁有一項專利，並計劃繼續對其進行改進以提高性能。