Inspirándose en las plumas de las aves, los ingenieros de Princeton han descubierto que añadir filas de flaps a las alas de los aviones controlados a distancia mejora el rendimiento del vuelo y ayuda a evitar la entrada en pérdida, una condición que puede comprometer la capacidad de un avión para mantenerse en el aire.
“Estos flaps pueden ayudar al avión a evitar una pérdida y hacer que sea más fácil recuperar el control si se produce una pérdida”, dijo Amy Wiesa, profesora asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial e investigadora principal del estudio, publicado en el estudio. Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Las aletas imitan un grupo de plumas, llamadas coberteras, que se pliegan cuando las aves realizan ciertas maniobras aéreas, como descender en picado o despegar. Los biólogos han observado cuándo y cómo se despliegan estas plumas, pero ningún estudio ha cuantificado el papel aerodinámico de las plumas encubiertas durante el vuelo de las aves. Los estudios de ingeniería han investigado aletas inspiradas en criptas para mejorar el rendimiento de las alas diseñadas, pero la mayoría ha ignorado que las aves tienen múltiples filas de plumas de cripta. El equipo de Princeton avanzó en la tecnología explorando la física compleja que gobierna cómo los conjuntos de aletas trabajan juntos e interactúan.
Girguis Sedki, investigador postdoctoral y autor principal del artículo, calificó la técnica como “una forma sencilla y rentable de mejorar en gran medida el rendimiento de la aeronave sin la necesidad de potencia adicional”.
Las aletas ocultas se despliegan o retraen en respuesta a cambios en el flujo de aire y no requieren ningún sistema de control externo. Ofrecen un método económico y liviano para aumentar el rendimiento del vuelo sin equipos complicados. “Son básicamente aletas flexibles que, si se diseñan y colocan correctamente, pueden mejorar enormemente el rendimiento y la estabilidad de un avión”, dijo Wiesa.
La forma de lágrima de un ala obliga al aire a fluir más rápido sobre su parte superior, creando un área de baja presión que levanta el avión. Al mismo tiempo, el aire empuja contra la parte inferior del ala, añadiendo presión hacia arriba. Los diseñadores llaman a esta combinación de tirar y empujar “levantar”. Un cambio en las condiciones de vuelo o una disminución en la velocidad de una aeronave puede provocar una pérdida, lo que reduce rápidamente la sustentación.
El equipo de Wisser diseñó una serie de experimentos en un túnel de viento en el campus Forrestal de Princeton para comprender cómo los flaps que simulan plumas afectarían el rendimiento del vuelo, particularmente cerca de las pérdidas, que normalmente ocurren cuando el avión está en ángulos pronunciados, cuando las plumas ocultas parecen desplegarse. . El túnel permitió al equipo probar cómo las diferentes disposiciones de los flaps afectan variables como la presión del aire alrededor del ala, la velocidad del aire sobre el ala y los vórtices que afectan el rendimiento.
El equipo adjuntó los flaps inspirados en el sigilo a un modelo de ala de avión impreso en 3D y lo montó en el túnel de viento, un artilugio de metal de 30 pies de altura que simula y mide el flujo del viento. “Las pruebas en el túnel de viento nos brindan mediciones realmente precisas de cómo interactúa el viento con las alas y los flaps, y podemos ver lo que realmente está sucediendo en términos de física”, dijo Sedki.
El túnel de viento está equipado con sensores que leen las fuerzas que sienten las alas, así como un láser y una cámara de alta velocidad que mide con precisión cómo se mueve el viento alrededor de las alas.
El estudio descubrió la física mediante la cual los flaps mejoran la sustentación e identificó dos formas en que los flaps controlan el aire alrededor del ala. Uno de estos mecanismos regulatorios no ha sido identificado previamente. Los investigadores descubrieron el nuevo mecanismo, llamado interacción de la capa de corte, cuando estaban probando el efecto de un solo flap en el borde de ataque de un ala. Descubrieron que el otro mecanismo era efectivo sólo cuando el flap estaba detrás del ala.
Los investigadores probaron configuraciones con una sola aleta y múltiples aletas que iban desde dos hasta cinco filas. Descubrieron que la configuración de cinco filas mejoraba la sustentación en un 45%, reducía la resistencia en un 30% y mejoraba la estabilidad general del ala.
“El descubrimiento de este nuevo método ha revelado un secreto detrás de por qué las aves tienen estas plumas cerca de la parte delantera de sus alas y cómo podemos usar estas aletas para volar”, dijo Wisa. “Particularmente porque descubrimos que cuantos más flaps se agregan a la parte delantera del ala, mayor es el beneficio en el rendimiento”.
Después de los resultados de las pruebas en el túnel de viento, el equipo salió del laboratorio y entró en el campo para probar flaps inspirados en el sigilo en un modelo de avión a escala. El campus Forrestal de Princeton alguna vez fue un aeropuerto y todavía tiene un helipuerto operativo. Entonces, los investigadores se asociaron con Nathaniel Simon, un estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y aeroespacial que estudia el vuelo con drones, y demostraron la tecnología en un escenario del mundo real equipando un avión radiocontrolado (RC) con flaps inspirados en el sigilo.
Los investigadores trabajaron con miembros del Somerset RC Model Airplane Club para seleccionar un modelo de avión. Luego, los investigadores modificaron el cuerpo del avión para adaptarlo a una computadora de vuelo a bordo, y Simon aprovechó su experiencia pilotando el dron para volarlo. Programan la computadora de vuelo para que la aeronave entre en pérdida de forma autónoma y repetida. Simon dijo que fue sorprendente ver los flaps desplegados en vuelo y cómo ayudaron a retrasar y reducir la gravedad de la pérdida al igual que en el túnel de viento. “Es fantástico poder colaborar en un espacio compartido en el campus de Forrestal y ver cuántas áreas de investigación ha tocado este proyecto”, dijo.
Sedki dice que además de mejorar el vuelo, sus hallazgos pueden extenderse a otras aplicaciones donde cambiar el fluido circundante beneficiaría el rendimiento. “Lo que descubrimos es que la forma en que las encubiertas cambian el flujo de aire alrededor de un ala se puede aplicar a otros fluidos y otros cuerpos, haciéndolos aplicables a automóviles, vehículos submarinos e incluso turbinas eólicas”, dijo.
Wisa dijo que el estudio podría abrir la puerta a colaboraciones con biólogos para aprender más sobre el papel de las plumas crípticas en el vuelo de las aves, y que los resultados del estudio ayudarían a generar nuevas hipótesis que podrían probarse en aves. “Ese es el poder del diseño bioinspirado”, afirmó. “La capacidad de transferir cosas de la biología a la ingeniería para mejorar nuestros sistemas mecánicos, pero también utilizar nuestras herramientas de ingeniería para responder preguntas sobre biología”.