Forskere udvikler nyt bioinspireret vingedesign til små droner

Forskere fra Brown University har designet en ny type vinger, der kunne gøre små fastvingede droner langt mere stabile og effektive.

Den nye fløj erstatter den glatte kontur, der findes på forkanterne på de fleste flyvinger med en tyk flad plade og en skarp forkant. Modstridende som det kan se ud, det viser sig, at designet har tydelige aerodynamiske fordele i omfanget af små droner. I et papir udgivet i Science Robotics , forskerne viser, at den nye fløj er langt mere stabil end standardvinger i lyset af pludselige vindstød og andre former for turbulens, som ofte ødelægger små fly. Vingen giver også en aerodynamisk effektiv flyvning, der udmønter sig i bedre batterilevetid og længere flyvetider.

"Små droner kan virkelig være nyttige i mange applikationer, herunder flyvninger i befolkede områder, da de i sagens natur er mere sikre for mennesker, men der er problemer med at betjene fly i de små skalaer, "sagde Kenny Breuer, en professor i Brown's School of Engineering og undersøgelsens seniorforfatter. "De har en tendens til at være ineffektive, hvilket begrænser de batteridrevne flyvetider for de fleste droner til omkring 30 minutter eller deromkring. De har også en tendens til at blive blæst rundt af vindstød og turbulent luft, der kommer fra forhindringer som bygninger og træer. Så vi har tænkt på et vingedesign, der kan bekæmpe disse problemer. "

Ideen til en vinge, der undgår de glatte konturer af en normal vings forkant, blev inspireret af naturlige flyers som fugle og insekter. En glat forkant hjælper med at holde luftstrømmen fast knyttet til vingen. Men fugle- og insektvinger har normalt ret ru og skarpe forkanter for at fremme adskillelse af luftstrømmen. Flowadskillelse forårsager effektivitetsproblemer for store fly, men det ser ud til at fungere fint til fugle og insekter.

"Dyr i lille skala forsøger ikke at holde strømmen vedhæftet, "Breuer sagde." De opgav det for 100 millioner år siden. Når du holder op med at forsøge at holde strømmen konstant knyttet, det gør ironisk nok nogle ting lettere. "

Den nye fløj - kaldet "Separated Flow Airfoil" - blev designet af Matteo Di Luca, en kandidatstuderende på Brown og undersøgelsens hovedforfatter. Ideen er at bevidst adskille strømmen i forkant, hvilket noget modstridende får strømmen til at fastgøre mere konsekvent, før den når bagkanten. Denne genmontering understøttes af en lille afrundet klap placeret nær vingens bagkant. Designet muliggør mere effektiv, mere stabil flyvning i omfang af fly med vingefang på omkring en fod eller mindre.

Grunden til at designet fungerer har at gøre med egenskaberne på små skalaer af grænselaget, det tynde lag af luft, der er direkte i kontakt med vingen. I omfang af passagerfly, grænselaget er altid turbulent - fuld af små hvirvler og hvirvler. Denne turbulens holder grænselaget mod vingen, holde den fast fast. I små skalaer, imidlertid, grænselaget har en tendens til at være laminær. Et laminært grænselag adskilles let fra vingen og fastgøres ofte aldrig igen, hvilket fører til øget træk og reduceret løft.

Yderligere komplicerende spørgsmål er freestream -turbulensen - vindstød, hvirvler og andre forstyrrelser i den omgivende luft. At freestream -turbulens pludselig kan fremkalde turbulens i et grænselag, som fastgør strømmen og fremkalder et pludseligt ryk af øget løft. Hurtige løftesvingninger kan være mere end en drones kontrolsystem kan håndtere, fører til ustabil flyvning.

Separated Flow -fløjen kan håndtere disse spørgsmål.

"Når vi målrettet adskiller strømmen i forkant, vi får det til umiddelbart at blive turbulent, hvilket tvinger den til at fastgøre igen på et konsistent tidspunkt uanset atmosfærisk turbulens "sagde Di Luca." Det giver os mere konsekvent løft og generelt bedre ydeevne. "

Test af Separated Flow Airfoil i en vindtunnel viste, at designet med succes udglattede elevationsudsving i forbindelse med freestream -turbulens. Teamet udførte også vindtunneltests af en lille propeldrevet drone udstyret med Separated Flow-vingen. Disse tests viste, at den øgede aerodynamiske effektivitet resulterede i et fald i minimum krydstogtkraft sammenlignet med standard miniaturedroner. Det udmønter sig i forlænget batterilevetid.

"Med den prototype, vi har, vi er på lidt mindre end 3 timers flyvetid i vindtunnelen, "Sagde Di Luca." Vindtunnelen er et idealiseret miljø, så vi forventer ikke, at det ville vare ret længe for en udendørs flyvning. Men hvis det holder halvt så længe som det gjorde i vindtunnelen, det er stadig mere end det dobbelte af flyvningen med kommercielt tilgængelige droner. "

Der er andre fordele ved designet ud over bedre aerodynamisk ydeevne. Separated Flow -vingen kan være langt tykkere end vinger, der normalt bruges i små droner. Det gør vingerne strukturelt stærkere, så undersystemer som batterier, antenner eller solpaneler kan integreres i vingen. Det kunne reducere størrelsen på en aerodynamisk besværlig skrog - eller helt eliminere behovet for en.

Forskerne har patent på deres design og planlægger at fortsætte med at forfine det for endnu bedre ydeevne.