Pesquisadores da Brown University projetaram um novo tipo de asa que pode tornar pequenos drones de asa fixa muito mais estáveis ​​e eficientes.

A nova asa substitui o contorno suave encontrado nas bordas de ataque da maioria das asas de avião por uma placa plana grossa e uma borda de ataque afiada. Por mais contraintuitivo que possa parecer, Acontece que o design tem vantagens aerodinâmicas distintas na escala de pequenos drones. Em um artigo publicado em Ciência Robótica , os pesquisadores mostram que a nova asa é muito mais estável do que as asas padrão em face de rajadas de vento repentinas e outros tipos de turbulência, que muitas vezes causam estragos em pequenas aeronaves. A asa também oferece um vôo aerodinamicamente eficiente que se traduz em melhor duração da bateria e tempos de vôo mais longos.

"Drones pequenos podem ser realmente úteis em muitas aplicações, incluindo voos em áreas povoadas, pois são inerentemente mais seguras para os humanos, mas há problemas para operar aeronaves em escalas pequenas, "disse Kenny Breuer, professor da Escola de Engenharia de Brown e autor sênior do estudo. "Eles tendem a ser ineficientes, o que limita os tempos de voo com bateria da maioria dos drones em cerca de 30 minutos. Eles também tendem a ser soprados por rajadas de vento e turbulência proveniente de obstáculos como prédios e árvores. Portanto, estamos pensando em um projeto de asa que possa combater esses problemas. "

A ideia de uma asa que dispensa os contornos suaves do bordo de ataque de uma asa normal foi inspirada em voadores naturais como pássaros e insetos. Uma borda de ataque lisa ajuda a manter o fluxo de ar firmemente preso à asa. Mas as asas dos pássaros e dos insetos geralmente têm bordas de ataque bastante ásperas e afiadas para promover a separação do fluxo de ar. A separação do fluxo causa problemas de eficiência para aeronaves grandes, mas parece funcionar muito bem para pássaros e insetos.

"Animais em pequena escala não tentam manter o fluxo conectado, "Disse Breuer." Eles desistiram disso há 100 milhões de anos. Depois de parar de tentar manter o fluxo constantemente conectado, ironicamente, torna algumas coisas mais fáceis. "

A nova asa - apelidada de "Aerofólio de Fluxo Separado" - foi projetada por Matteo Di Luca, um estudante de graduação na Brown e o principal autor do estudo. A ideia é separar intencionalmente o fluxo na borda de ataque, o que, de forma um tanto contra-intuitiva, faz com que o fluxo se reconecte de forma mais consistente antes de atingir a borda de fuga. Esse recolocação é auxiliado por uma pequena aba arredondada colocada perto da borda de fuga da asa. O design permite mais eficiência, voo mais estável na escala de aeronave com envergadura de cerca de 30 cm ou menos.

A razão pela qual o projeto funciona tem a ver com as características em pequenas escalas da camada limite, a fina camada de ar que está diretamente em contato com a asa. Na escala dos aviões de passageiros, a camada limite é sempre turbulenta - cheia de minúsculos redemoinhos e vórtices. Essa turbulência mantém a camada limite contra a asa, mantendo-o firmemente preso. Em pequena escala, Contudo, a camada limite tende a ser laminar. Uma camada limite laminar separa-se facilmente da asa e muitas vezes nunca se reconecta, o que leva ao aumento do arrasto e redução da sustentação.

Para complicar ainda mais as coisas, está a turbulência de fluxo livre - rajadas de vento, vórtices e outras perturbações no ar circundante. Essa turbulência de fluxo livre pode de repente induzir turbulência em uma camada limite, que conecta o fluxo e induz uma sacudida repentina de elevação aumentada. Flutuações de elevação rápida podem ser mais do que o sistema de controle de um drone pode suportar, levando a um vôo instável.

A ala de fluxo separado é capaz de lidar com esses problemas.

"Quando separamos propositalmente o fluxo na vanguarda, fazemos com que ele se torne imediatamente turbulento, o que o força a se reconectar em um ponto consistente, independentemente da turbulência atmosférica ", disse Di Luca." Isso nos dá sustentação mais consistente e melhor desempenho geral. "

O teste do aerofólio de fluxo separado em um túnel de vento mostrou que o projeto suavizou com sucesso as flutuações de sustentação associadas à turbulência de fluxo livre. A equipe também realizou testes em túnel de vento de um pequeno drone movido a hélice equipado com a asa Separated Flow. Esses testes mostraram que o aumento da eficiência aerodinâmica resultou em uma diminuição da potência mínima de cruzeiro em comparação com drones em miniatura padrão. Isso se traduz em maior vida útil da bateria.

"Com o protótipo que temos, estamos com pouco menos de 3 horas de vôo no túnel de vento, "Di Luca disse." O túnel de vento é um ambiente idealizado, portanto, não esperamos que dure tanto tempo em um vôo ao ar livre. Mas se durar metade do tempo que durou no túnel de vento, ainda é mais do que o dobro do vôo dos drones disponíveis comercialmente. "

Existem outros benefícios no design, além de um melhor desempenho aerodinâmico. A asa de fluxo separado pode ser muito mais grossa do que as asas normalmente usadas em pequenos drones. Isso torna as asas estruturalmente mais fortes, então subsistemas como baterias, antenas ou painéis solares podem ser integrados na asa. Isso poderia reduzir o tamanho de uma fuselagem aerodinamicamente pesada - ou eliminar a necessidade de uma fuselagem completamente.

Os pesquisadores têm uma patente de seu projeto e planejam continuar refinando-o para um desempenho ainda melhor.