Los investigadores de la Universidad de Brown han diseñado un nuevo tipo de ala que podría hacer que los drones pequeños de ala fija sean mucho más estables y eficientes.
El nuevo ala reemplaza el contorno liso que se encuentra en los bordes delanteros de la mayoría de las alas de los aviones con una placa plana gruesa y un borde delantero afilado. Por contradictorio que parezca, resulta que el diseño tiene distintas ventajas aerodinámicas a pequeña escaladrones. En un artículo publicado en Ciencia Robótica , los investigadores muestran que el nuevo 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 mejoresduración de la batería y tiempos de vuelo más largos.
"Los drones pequeños pueden ser realmente útiles en muchas aplicaciones, incluidos los vuelos en áreas pobladas, ya que son inherentemente más seguros para los humanos, pero hay problemas para operar aviones a esas escalas pequeñas", dijo Kenny Breuer, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown yautor principal del estudio. "Tienden a ser ineficientes, lo que limita los tiempos de vuelo a batería de la mayoría de los drones a unos 30 minutos más o menos. También tienden a ser arrastrados por soplos de viento y aire turbulento proveniente de obstáculos tales como edificiosy árboles. Así que hemos estado pensando en un diseño de ala que pueda 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 adherido al ala. Pero las alas de pájaros e insectos generalmente tienenbordes de ataque bastante ásperos y afilados para promover la separación del flujo de aire. La separación del flujo causa problemas de eficiencia para aviones grandes, pero parece funcionar bien para pájaros e insectos.
"Los animales a pequeña escala no intentan mantener el flujo unido", dijo Breuer. "Se dieron por vencidos con eso hace 100 millones de años. Una vez que dejas de tratar de mantener el flujo constantemente conectado, irónicamente facilita algunas cosas."
La nueva ala, denominada "Perfil de flujo separado", fue diseñada por Matteo Di Luca, un estudiante graduado de Brown y autor principal del estudio. La idea es separar intencionalmente el flujo en el borde de ataque, lo que de alguna manera es contraintuitivohace que el flujo se vuelva a unir de manera más consistente antes de llegar al borde de salida. Esa reinserción es ayudada por una pequeña aleta redondeada colocada cerca del borde de salida del ala. El diseño permite un vuelo más eficiente y estable a escala de aeronaves con alas de aproximadamente un pie oMenos.
La razón por la que el diseño funciona tiene que ver con las características a escalas pequeñas de la capa límite, la delgada capa de aire que está directamente en contacto con el ala. En la escala de los aviones de pasajeros, la capa límite siempre es turbulenta, llenade pequeños remolinos y vórtices. Esa turbulencia mantiene la capa límite contra el ala, manteniéndola firmemente unida. Sin embargo, a escalas pequeñas, 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 queconduce a una mayor resistencia y menor elevación.
Lo que complica aún más las cosas es la turbulencia de flujo libre: ráfagas de viento, vórtices y otras perturbaciones en el aire circundante. Esa turbulencia de flujo libre puede inducir repentinamente la turbulencia en una capa límite, que une el flujo e induce una sacudida repentina de mayor elevación. Rápidolas fluctuaciones de elevación pueden ser más de lo que el sistema de control de un dron puede manejar, lo que lleva a un vuelo inestable.
El ala de flujo separado es capaz de lidiar con estos problemas.
"Cuando separamos a propósito el flujo en el borde de ataque, hacemos que se vuelva turbulento de inmediato, lo que lo obliga a volver a conectarlo en un punto constante independientemente de la turbulencia atmosférica", dijo Di Luca. "Eso nos da una elevación más consistente y, en general, mejoractuación."
Las pruebas del perfil de flujo separado en un túnel de viento mostraron que el diseño suavizó con éxito las fluctuaciones de elevación asociadas con la turbulencia de flujo libre. El equipo también realizó pruebas en el túnel de viento de un pequeño dron impulsado por hélice equipado con el ala de flujo separado. Esas pruebas mostraronque 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, tenemos un poco menos de 3 horas de tiempo de vuelo en el túnel de viento", dijo Di Luca. "El túnel de viento es un entorno idealizado, por lo que no esperamos que duretanto tiempo para un vuelo al aire libre. Pero si dura la mitad del tiempo que lo hizo en el túnel de viento, todavía es más del doble del vuelo de los drones disponibles comercialmente ".
El diseño tiene otros beneficios además del mejor rendimiento aerodinámico. El ala de flujo separado puede ser mucho más gruesa que las alas que normalmente se usan en pequeños drones. Eso hace que las alas sean estructuralmente más fuertes para que se puedan integrar subsistemas como baterías, antenas o paneles solaresdentro del 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 continuar refinándolo para un rendimiento aún mejor.
Otros coautores del artículo fueron Stefano Mintchev, Yunxing Su y Eric Shaw. El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation CMMI-1426338 y una Beca Presidencial de la Universidad de Brown.
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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