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研究人员为小型无人机开发了新的生物启发式机翼设计

2021年08月18日 茂名机械设备网

研究人员为小型无人机开发了新的生物启发式机翼设计

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。

研究人员为小型无人机开发了新的生物启发式机翼设计 中国机械网,okmao.com

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中国机械网okmao.com。在发表在纸质科学机器人,研究人员表明,新翼比在面对突如其来的标准翅膀更稳定的风阵风和其他类型的动荡,对经常肆虐小型飞机。机翼还提供了空气动力学上高效的飞行,可延长电池寿命并延长飞行时间。

布朗工程学院教授肯尼·布劳尔(Kenny Breuer)表示:“小型无人机在许多应用中都非常有用,包括在人口稠密地区的飞行,因为它们本来对人类更安全,但是在小规模的飞机上操作存在问题。”高级作者。“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30分钟左右。它们还容易被来自诸如建筑物和树木等障碍物的吹来的风和湍急的空气吹走。所以我们一直在考虑可能解决这些问题的机翼设计。”

机翼免于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。但是鸟类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。” “他们放弃了1亿年前的计划。一旦您停止尝试使流量不断增加,具有讽刺意味的是,这使某些事情变得容易。

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。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。机翼还提供了空气动力学上高效的飞行,可延长电池寿命并延长飞行时间。

新机翼被称为“分离流翼型”,它是由布朗的研究生,研究的主要作者马特奥·迪·卢卡(Matteo Di Luca)设计的。这个想法是有意地分离前缘处的流,这有点违反直觉,导致流在到达后缘之前更一致地重新附着。机翼后缘附近有一个小的圆形襟翼,可以辅助重新安装。该设计可在翼展约为1英尺或更小的飞机规模上实现更高效,更稳定的飞行。

设计工作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。在客机规模上,边界层始终是湍流的-充满微小的漩涡和涡旋。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。层状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。

令气流更复杂的问题是自由湍流,即阵风,涡流和周围空气的其他干扰。自由流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。快速升力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。

分离流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,而不受大气湍流的影响。” “这为我们提供了更一致的提升力和整体更好的性能。”

配备新机翼的飞行MAV的视频。在风洞中对分离流翼型进行的测试表明,该设计成功地消除了与自由流湍流相关的升力波动。该团队还对配备有分离流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不到3小时。” “风洞是理想化的环境,因此我们不希望它在户外飞行中能持续这么长时间。但是,如果风洞的持续时间是在风洞中的一半,那么它仍然是商业飞行的两倍以上。可用的无人机。”

除了更好的空气动力学性能,设计还有其他好处。分离流机翼可能比通常用于小型无人机的机翼厚得多。这使机翼在结构上更坚固,因此可以将诸如电池,天线或太阳能电池板等子系统集成到机翼中。这样可以减小空气动力学麻烦的机身的尺寸,或者完全不需要一个。

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。