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高效。

新的机翼用厚板和锋利的前缘取代了大多数飞机机翼前缘的光滑轮廓。

这听起来可能不合理，但事实证明，这种设计在小型无人机上具有明显的空气动力学优势。在《科学机器人》 (Science Robotics)杂志发表的一篇论文中，研究人员表示，面对突如其来的阵风和其他类型的湍流，这种新型机翼比标准机翼稳定得多。机翼还提供了空气动力学上的高效飞行，这转化为更好的电池寿命和更长的飞行时间。

该研究的资深作者、布朗大学工程学院教授肯尼布鲁尔说，“小型无人机在许多应用中非常有用，包括在人口密集地区飞行，因为它们对人类来说本来就更安全，但在这些小规模上操作飞机存在问题。”“它们通常效率低下，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。它们也很容易被风和湍流空气从建筑物和树木等障碍物上吹走。所以我们一直在考虑能够解决这些问题的机翼设计。”

机翼设计的灵感来自鸟类和昆虫等自然飞禽。平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和尖锐的前缘，以促进气流的分离。空气分离给大型飞机带来了效率问题，但似乎对鸟类和昆虫很有效。

布鲁尔说：“小动物不会试图保持水流。”“他们在一亿年前就放弃了。具有讽刺意味的是，一旦你停止努力保持流量，它会让一些事情变得更容易。”

新的机翼——被称为“分离流翼型”，由布朗大学研究生、这项研究的第一作者Matteo Di Luca设计。这个想法是故意在前缘分离气流，这在某种程度上与直觉相反，导致气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，有助于重新连接。这种设计可以使飞机在翼展小于1英尺时飞行更高效、更稳定。

设计的原因在于边界层的小尺度特性，即与机翼直接接触的空气薄层。在客机的尺度上，边界层总是湍流的，充满微小的涡流。湍流使边界层紧贴在机翼上，使它紧紧地附着在机翼上。然而，在小范围内，边界层通常是层流。层流很容易与机翼分离，通常不会重新附着，这导致阻力增加和升力减小。

更复杂的问题是自由流湍流风、涡流和空气中的其他扰动。自由流湍流会突然在附着在气流上的边界层中引起湍流，导致升力突然增加。无人机的控制系统无法承受快速的升力波动，导致飞行不稳定。

分离流动翼可以处理这些问题。

迪卢卡说：“当我们有意识地在前缘分离气流时，我们会使它立即湍流，这迫使它在一致的点重新附着，而不管大气湍流。”“这给了我们更持久的改善和更好的整体表现。”

分离流翼型风洞试验表明，该设计成功地消除了自由流湍流引起的升力波动。该团队还对一架配备分离流机翼的小型螺旋桨驱动无人机进行了风洞试验。这些试验表明，与标准微型无人机相比，气动效率的提高导致最小巡航功率的降低。这意味着电池寿命延长。

迪卢卡说：“根据我们现有的原型机，我们在风洞中的飞行时间不到3个小时。“风洞是一个理想的环境，所以我们不希望它在户外飞行中持续这么长时间。但即使它的持续时间只有风洞的一半，也是商用无人机的两倍多。”

除了更好的空气动力学性能，该设计还有其他好处。分离流机翼比小型无人机常用的机翼厚得多。这使得机翼结构更加坚固，因此电池、天线或太阳能电池板等子系统可以集成到机翼中。这可能会将气动重型机身的尺寸缩小——或完全取消。

研究人员已经为他们的设计申请了专利，并计划继续提高他们的性能。