Investigadores de la Universidad de Brown han diseñado un nuevo tipo de ala que podría hacer que los pequeños drones de ala fija sean mucho más estables y eficientes.

La nueva ala reemplaza el contorno suave que se encuentra en los bordes de ataque de la mayoría de las alas de los aviones con una placa plana gruesa y un borde de ataque afilado. Por contradictorio que parezca, resulta que el diseño tiene distintas ventajas aerodinámicas a la escala de pequeños drones. En un artículo publicado en Ciencia Robótica , Los investigadores muestran que la nueva ala es mucho más estable que las alas estándar frente a ráfagas de viento repentinas y otros tipos de turbulencia. que a menudo causan estragos en aviones pequeños. El ala también proporciona un vuelo aerodinámicamente eficiente que se traduce en una mejor duración de la batería y tiempos de vuelo más prolongados.

"Los drones pequeños pueden ser realmente útiles en muchas aplicaciones, incluidos los vuelos en áreas pobladas, ya que son intrínsecamente más seguros para los humanos, pero hay problemas para operar aviones a esas pequeñas escalas, "dijo Kenny Breuer, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal del estudio. "Suelen ser ineficientes, lo que limita los tiempos de vuelo con batería de la mayoría de los drones a unos 30 minutos más o menos. También tienden a ser arrastrados por ráfagas de viento y aire turbulento provenientes de obstáculos como edificios y árboles. Así que hemos estado pensando en un diseño de ala que podría combatir esos problemas ".

La idea de un ala que prescinde de los contornos suaves del borde de ataque de un ala normal se inspiró en volantes naturales como pájaros e insectos. Un borde de ataque suave ayuda a mantener el flujo de aire firmemente unido al ala. Pero las alas de los pájaros y los insectos suelen tener bordes de ataque bastante ásperos y afilados para promover la separación del flujo de aire. La separación de flujo causa problemas de eficiencia para aviones grandes, pero parece funcionar bien para pájaros e insectos.

"Los animales a pequeña escala no tratan de mantener el flujo, "Dijo Breuer." Ellos renunciaron a eso hace 100 millones de años. Una vez que deje de intentar mantener el flujo constantemente conectado, irónicamente hace que algunas cosas sean más fáciles ".

La nueva ala, denominada "Superficie aerodinámica de flujo separado", fue diseñada por Matteo Di Luca, estudiante de posgrado en Brown y autor principal del estudio. La idea es separar intencionalmente el flujo en el borde de ataque, lo que de alguna manera hace que el flujo se vuelva a unir de manera más consistente antes de alcanzar el borde de salida. Esa reinserción es ayudada por una pequeña solapa redondeada colocada cerca del borde de fuga del ala. El diseño permite más eficiente, vuelo más estable a la escala de un avión con una envergadura de alrededor de un pie o menos.

La razón por la que el diseño funciona tiene que ver con las características a pequeña escala de la capa límite, la fina capa de aire que está directamente en contacto con el ala. A escala de aviones de pasajeros, la capa límite es siempre turbulenta, llena de pequeños remolinos y vórtices. Esa turbulencia mantiene la capa límite contra el ala, manteniéndolo firmemente sujeto. A pequeña escala, sin embargo, la capa límite tiende a ser laminar. Una capa límite laminar se separa fácilmente del ala y, a menudo, nunca se vuelve a unir. lo que conduce a un aumento de la resistencia aerodinámica y una reducción de la sustentación.

Lo que complica aún más las cosas es la turbulencia de la corriente libre:ráfagas de viento, vórtices y otras perturbaciones en el aire circundante. Esa turbulencia de corriente libre puede inducir repentinamente turbulencia en una capa límite, que une el flujo e induce una sacudida repentina de elevación aumentada. Las fluctuaciones rápidas de elevación pueden ser más de lo que puede manejar el sistema de control de un dron, conduciendo a un vuelo inestable.

El ala Separated Flow puede hacer frente a estos problemas.

"Cuando separamos a propósito el flujo en el borde de ataque, hacemos que se convierta inmediatamente en turbulento, lo que lo obliga a volver a adherirse en un punto constante independientemente de la turbulencia atmosférica ", dijo Di Luca." Eso nos da una sustentación más consistente y un mejor desempeño en general ".

Las pruebas del perfil aerodinámico de flujo separado en un túnel de viento mostraron que el diseño suavizó con éxito las fluctuaciones de elevación asociadas con la turbulencia de la corriente libre. El equipo también realizó pruebas en el túnel de viento de un pequeño dron propulsado por hélice equipado con el ala Separated Flow. Esas pruebas mostraron que la mayor eficiencia aerodinámica resultó en una disminución de la potencia de crucero mínima en comparación con los drones en miniatura estándar. Eso se traduce en una mayor duración de la batería.

"Con el prototipo que tenemos, estamos a poco menos de 3 horas de vuelo en el túnel de viento, Di Luca dijo:"El túnel de viento es un entorno idealizado, por lo que no esperamos que dure tanto tiempo para un vuelo al aire libre. Pero si dura la mitad de lo que duró en el túnel de viento, sigue siendo más del doble del vuelo de los drones disponibles comercialmente ".

El diseño tiene otros beneficios además de un mejor rendimiento aerodinámico. El ala Separated Flow puede ser mucho más gruesa que las alas que se usan normalmente en pequeños drones. Eso hace que las alas sean estructuralmente más fuertes, por lo que los subsistemas como las baterías, Se pueden integrar antenas o paneles solares en el ala. Eso podría reducir el tamaño de un fuselaje aerodinámicamente engorroso o eliminar la necesidad de uno por completo.

Los investigadores tienen una patente sobre su diseño y planean seguir perfeccionándolo para obtener un rendimiento aún mejor.