I ricercatori della Brown University hanno progettato un nuovo tipo di ala che potrebbe rendere i piccoli droni ad ala fissa molto più stabili ed efficienti.

La nuova ala sostituisce il contorno liscio che si trova sui bordi d'attacco della maggior parte delle ali degli aeroplani con una piastra piatta spessa e un bordo d'attacco affilato. Per quanto possa sembrare controintuitivo, si scopre che il design ha vantaggi aerodinamici distinti sulla scala dei piccoli droni. In un articolo pubblicato su Robotica scientifica , i ricercatori mostrano che la nuova ala è molto più stabile delle ali standard di fronte a raffiche di vento improvvise e altri tipi di turbolenza, che spesso causano scompiglio su piccoli velivoli. L'ala fornisce anche un volo aerodinamicamente efficiente che si traduce in una migliore durata della batteria e tempi di volo più lunghi.

"I piccoli droni possono essere davvero utili in molte applicazioni, compresi i voli in aree popolate poiché sono intrinsecamente più sicuri per gli esseri umani, ma ci sono problemi a far funzionare gli aerei su quelle piccole scale, " disse Kenny Breuer, professore alla Brown's School of Engineering e autore senior dello studio. "Tendono ad essere inefficienti, che limita i tempi di volo a batteria della maggior parte dei droni a circa 30 minuti circa. Tendono anche a essere spazzati via da sbuffi di vento e aria turbolenta proveniente da ostacoli come edifici e alberi. Quindi abbiamo pensato a un design delle ali che potesse combattere questi problemi".

L'idea di un'ala che rinuncia ai contorni lisci del bordo d'attacco di un'ala normale è stata ispirata da volantini naturali come uccelli e insetti. Un bordo d'attacco liscio aiuta a mantenere il flusso d'aria saldamente attaccato all'ala. Ma le ali degli uccelli e degli insetti hanno solitamente bordi d'attacco piuttosto ruvidi e affilati per favorire la separazione del flusso d'aria. La separazione del flusso causa problemi di efficienza per gli aerei di grandi dimensioni, ma sembra funzionare bene per uccelli e insetti.

"Gli animali su piccola scala non cercano di mantenere attaccato il flusso, " Ha detto Breuer. "Hanno rinunciato a questo 100 milioni di anni fa. Una volta che smetti di cercare di mantenere il flusso costantemente attaccato, ironia della sorte, rende alcune cose più facili."

La nuova ala, soprannominata "Separated Flow Airfoil", è stata progettata da Matteo Di Luca, uno studente laureato alla Brown e l'autore principale dello studio. L'idea è di separare intenzionalmente il flusso sul bordo d'attacco, che in qualche modo controintuitivamente fa sì che il flusso si riattacchi in modo più coerente prima di raggiungere il bordo d'uscita. Tale riattacco è aiutato da un piccolo lembo arrotondato posto vicino al bordo d'uscita dell'ala. Il design consente una maggiore efficienza, volo più stabile alla scala di velivoli con un'apertura alare di circa un piede o meno.

Il motivo per cui il progetto funziona ha a che fare con le caratteristiche a piccola scala dello strato limite, il sottile strato d'aria che è direttamente in contatto con l'ala. A livello di aerei passeggeri, lo strato limite è sempre turbolento, pieno di minuscoli vortici e vortici. Quella turbolenza tiene lo strato limite contro l'ala, tenendolo saldamente attaccato. A piccola scala, però, lo strato limite tende ad essere laminare. Uno strato limite laminare si separa facilmente dall'ala e spesso non si riattacca mai, che porta ad una maggiore resistenza e portanza ridotta.

A complicare ulteriormente le cose c'è la turbolenza del flusso libero:raffiche di vento, vortici e altri disturbi nell'aria circostante. Quella turbolenza del flusso libero può indurre improvvisamente turbolenza in uno strato limite, che attacca il flusso e induce un improvviso sussulto di aumento della portanza. Le fluttuazioni rapide del sollevamento possono essere più di quanto il sistema di controllo di un drone possa gestire, portando a un volo instabile.

L'ala a flusso separato è in grado di affrontare questi problemi.

"Quando separiamo intenzionalmente il flusso sul bordo d'attacco, lo facciamo diventare immediatamente turbolento, il che lo costringe a riattaccarsi in un punto costante indipendentemente dalla turbolenza atmosferica ", ha affermato Di Luca. "Questo ci dà una portanza più coerente e prestazioni complessive migliori".

Il test del profilo alare a flusso separato in una galleria del vento ha mostrato che il progetto ha appianato con successo le fluttuazioni di portanza associate alla turbolenza del flusso libero. Il team ha anche eseguito test in galleria del vento su un piccolo drone a elica dotato di ala a flusso separato. Questi test hanno dimostrato che la maggiore efficienza aerodinamica ha comportato una riduzione della potenza di crociera minima rispetto ai droni in miniatura standard. Ciò si traduce in una maggiore durata della batteria.

"Con il prototipo che abbiamo, siamo a poco meno di 3 ore di volo nella galleria del vento, Di Luca ha detto. "La galleria del vento è un ambiente idealizzato, quindi non ci aspettiamo che duri così a lungo per un volo all'aperto. Ma se dura la metà di quanto durava nella galleria del vento, è ancora più del doppio del volo dei droni disponibili in commercio".

Ci sono altri vantaggi nel design oltre a migliori prestazioni aerodinamiche. L'ala a flusso separato può essere molto più spessa delle ali normalmente utilizzate nei piccoli droni. Ciò rende le ali strutturalmente più forti, quindi i sottosistemi come le batterie, antenne o pannelli solari possono essere integrati nell'ala. Ciò potrebbe ridurre le dimensioni di una fusoliera aerodinamicamente ingombrante o eliminare del tutto la necessità di una fusoliera.

I ricercatori hanno un brevetto sul loro design e intendono continuare a perfezionarlo per prestazioni ancora migliori.