Onderzoekers van Brown University hebben een nieuw type vleugel ontworpen waarmee kleine drones met vaste vleugels veel stabieler en efficiënter kunnen worden.

De nieuwe vleugel vervangt de gladde contouren aan de voorranden van de meeste vliegtuigvleugels door een dikke vlakke plaat en een scherpe voorrand. Hoe contra-intuïtief het ook mag lijken, het blijkt dat het ontwerp duidelijke aerodynamische voordelen heeft op de schaal van kleine drones. In een paper gepubliceerd in Wetenschap Robotica , de onderzoekers laten zien dat de nieuwe vleugel veel stabieler is dan standaardvleugels bij plotselinge windstoten en andere soorten turbulentie, die vaak grote schade aanrichten aan kleine vliegtuigen. De vleugel zorgt ook voor een aerodynamisch efficiënte vlucht die zich vertaalt in een betere levensduur van de batterij en langere vliegtijden.

"Kleine drones kunnen heel nuttig zijn in veel toepassingen, inclusief vluchten in bevolkte gebieden, aangezien deze inherent veiliger zijn voor mensen, maar er zijn problemen met het besturen van vliegtuigen op die kleine schaal, " zei Kenny Breuer, een professor in Brown's School of Engineering en senior auteur van de studie. "Ze zijn vaak inefficiënt, wat de door batterijen aangedreven vliegtijden van de meeste drones beperkt tot ongeveer 30 minuten of zo. Ze hebben ook de neiging om rond te waaien door windvlagen en turbulente lucht die afkomstig zijn van obstakels zoals gebouwen en bomen. Dus we hebben nagedacht over een vleugelontwerp dat deze problemen zou kunnen bestrijden."

Het idee voor een vleugel die afziet van de vloeiende contouren van de voorrand van een normale vleugel, is geïnspireerd op natuurlijke vliegers zoals vogels en insecten. Een gladde voorrand helpt de luchtstroom stevig aan de vleugel vast te houden. Maar vleugels van vogels en insecten hebben meestal vrij ruwe en scherpe voorranden om de scheiding van de luchtstroom te bevorderen. Stroomscheiding veroorzaakt efficiëntieproblemen voor grote vliegtuigen, maar het lijkt prima te werken voor vogels en insecten.

"Dieren op kleine schaal proberen de stroom niet vast te houden, "Zei Breuer. "Ze hebben dat 100 miljoen jaar geleden opgegeven. Zodra je stopt met proberen de stroom constant vast te houden, het maakt ironisch genoeg sommige dingen gemakkelijker."

De nieuwe vleugel, ook wel de "Separated Flow Airfoil" genoemd, is ontworpen door Matteo Di Luca, een afgestudeerde student aan Brown en de hoofdauteur van de studie. Het idee is om de stroom opzettelijk te scheiden aan de voorrand, wat er enigszins contra-intuïtief voor zorgt dat de stroom consistenter opnieuw wordt bevestigd voordat de achterrand wordt bereikt. Die herbevestiging wordt geholpen door een kleine ronde flap die bij de achterrand van de vleugel is geplaatst. Het ontwerp maakt een efficiëntere, stabielere vlucht op de schaal van vliegtuigen met spanwijdten van ongeveer een voet of minder.

De reden waarom het ontwerp werkt, heeft te maken met de kenmerken op kleine schaal van de grenslaag, de dunne luchtlaag die direct in contact staat met de vleugel. Op de schaal van passagiersvliegtuigen, de grenslaag is altijd turbulent - vol met kleine wervelingen en draaikolken. Die turbulentie houdt de grenslaag tegen de vleugel, deze stevig vast te houden. Op kleine schaal, echter, de grenslaag heeft de neiging laminair te zijn. Een laminaire grenslaag scheidt gemakkelijk van de vleugel en komt vaak nooit meer terug, wat leidt tot verhoogde weerstand en verminderde lift.

Verdere complicerende zaken zijn de turbulentie in de vrije stroom - windstoten, wervelingen en andere verstoringen in de omringende lucht. Dat freestream turbulentie plotseling turbulentie kan veroorzaken in een grenslaag, die de stroom vastmaakt en een plotselinge schok van verhoogde lift veroorzaakt. Snelle liftfluctuaties kunnen meer zijn dan het besturingssysteem van een drone aankan, wat leidt tot een onstabiele vlucht.

De vleugel Separated Flow is in staat om met deze problemen om te gaan.

"Als we de stroom doelbewust scheiden aan de voorrand, we zorgen ervoor dat het meteen turbulent wordt, waardoor het zich op een consistent punt opnieuw moet bevestigen, ongeacht atmosferische turbulentie", zei Di Luca. "Dat geeft ons een meer consistente lift en over het algemeen betere prestaties."

Testen van de gescheiden stroming Airfoil in een windtunnel toonde aan dat het ontwerp met succes liftfluctuaties in verband met freestream-turbulentie wegwerkte. Het team voerde ook windtunneltests uit met een kleine propeller-aangedreven drone uitgerust met de Separated Flow-vleugel. Die tests toonden aan dat de verhoogde aerodynamische efficiëntie resulteerde in een verminderd minimaal cruisevermogen in vergelijking met standaard miniatuurdrones. Dat vertaalt zich in een langere levensduur van de batterij.

"Met het prototype dat we hebben, we zitten op iets minder dan 3 uur vliegtijd in de windtunnel, " zei Di Luca. "De windtunnel is een geïdealiseerde omgeving, dus we verwachten niet dat het zo lang zou duren voor een buitenvlucht. Maar als het half zo lang duurt als in de windtunnel, het is nog steeds meer dan het dubbele van de vlucht van commercieel beschikbare drones."

Naast betere aerodynamische prestaties zijn er nog andere voordelen aan het ontwerp. De Separated Flow-vleugel kan veel dikker zijn dan de vleugels die normaal in kleine drones worden gebruikt. Dat maakt de vleugels structureel sterker, zodat subsystemen zoals batterijen, antennes of zonnepanelen kunnen in de vleugel worden geïntegreerd. Dat zou de omvang van een aerodynamisch omslachtige romp kunnen verkleinen - of de noodzaak ervan helemaal wegnemen.

De onderzoekers hebben een patent op hun ontwerp en zijn van plan het verder te verfijnen voor nog betere prestaties.