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。

新的机翼用厚平板和锋利的前缘取代了大多数飞机机翼前缘的光滑轮廓。

这听起来似乎有些不合常理，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。在发表于《科学机器人》(Science Robotics)杂志上的一篇论文中，研究人员表示，这种新型机翼在面对突如其来的阵风和其他类型的乱流时，要比标准机翼稳定得多。机翼也提供了一个空气动力学的有效飞行，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(Brown"s School of Engineering)教授肯尼·布鲁尔(Kenny Breuer)表示:“小型无人机在很多应用领域都非常有用，包括在人口稠密地区的飞行，因为它们本来就对人类更安全，但在这些小尺度上操作飞机存在问题。”“它们往往效率不高，这限制了大多数无人机电池供电的飞行时间在30分钟左右。它们还容易被来自建筑物和树木等障碍物的一阵阵风和湍流空气吹来吹去。所以我们一直在考虑一种可以解决这些问题的机翼设计。”

机翼的设计灵感来自于鸟类和昆虫等自然飞行者。一个平滑的前缘有助于保持气流牢固地附着在机翼上。但鸟类和昆虫的翅膀通常有相当粗糙和尖锐的前缘，以促进气流的分离。气流分离对大型飞机造成了效率问题，但对鸟类和昆虫似乎效果不错。

布鲁尔说:“小规模的动物不会试图保持水流。”“他们在一亿年前就放弃了。一旦你不再试图让心流持续，讽刺的是，它会让一些事情变得更容易。”

新机翼——被称为“分离流翼型”——是由布朗大学研究生、该研究的第一作者Matteo Di Luca设计的。这个想法是故意分离前缘的气流，这在某种程度上与直觉相反，导致气流在到达后缘之前更加一致地重新附着。在机翼的后缘附近有一个小的圆形襟翼，可以帮助重新附着。这种设计能使飞机在翼展不超过1英尺的情况下更有效、更稳定地飞行。

设计作品的原因在于边界层的小尺度特性，即与机翼直接接触的薄层空气。在客机尺度上，边界层总是湍流的，充满了微小的涡流。湍流使边界层紧贴着机翼，使之紧紧地附着在机翼上。然而，在小尺度上，边界层往往是层流的。层流边界层很容易从机翼上分离出来，而且通常不会重新附着，这就导致了阻力的增加和升力的降低。

更复杂的问题是空气中的自由流湍流风、涡旋和其他扰动。自由流湍流可以突然在附著气流的边界层中引起湍流，引起升力增加的突然颠簸。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。

分离流翼能够处理这些问题。

迪卢卡说:“当我们在前缘有意识地分离气流时，我们会使它立即变得湍流，这就迫使它在一个一致的点上重新附着，而不管大气湍流。”“这让我们获得了更持久的提升，整体表现也更好。”

在风洞中对分离流翼型的试验表明，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，与标准的微型无人机相比，空气动力学效率的提高导致了最低巡航功率的降低。这意味着电池寿命延长。

“根据我们现有的原型，我们在风洞里的飞行时间不到3小时，”迪卢卡说。“风洞是一个理想化的环境，所以我们不希望它在户外飞行中持续那么久。但即使它的持续时间只有风洞中的一半，也比商用无人机的两倍还多。”

除了更好的空气动力学性能外，该设计还有其他好处。分离流动机翼比小型无人机通常使用的机翼要厚得多。这使得机翼在结构上更加坚固，因此像电池、天线或太阳能电池板这样的子系统可以集成到机翼中。这可能会减少空气动力笨重机身的尺寸——或者完全不需要。

研究人员已经为他们的设计申请了专利，并计划继续改进其性能。