3 月 6 日消息，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的研究人員從鳥類身上獲得靈感，試圖為未來(lái)的飛機(jī)配備羽毛狀的襟翼。研究表明，飛機(jī)機(jī)翼上的自由移動(dòng)面板能提升穩(wěn)定性、緩解湍流并提高燃油效率。
在一個(gè)溫暖的夏日早晨，普林斯頓大學(xué)航空航天工程師艾米?維薩（Aimy Wissa）正在該校直升機(jī)停機(jī)坪準(zhǔn)備操控一架遙控飛機(jī)。但這并非普通航模。維薩團(tuán)隊(duì)沿機(jī)翼上表面精心固定了三排薄而柔韌的塑料襟翼，以膠帶作為鉸鏈連接。
在空中，這架 1.5 米寬的飛機(jī)由一臺(tái)微型飛行計(jì)算機(jī)引導(dǎo)，反復(fù)執(zhí)行測(cè)試機(jī)動(dòng) —— 逐步增大迎角直至失去升力進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，即所謂“失速”。維薩通過(guò)機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，襟翼使失速現(xiàn)象呈現(xiàn)漸進(jìn)式特征，且僅在飛機(jī)迎角更大時(shí)發(fā)生。這些襟翼能夠防止升力的突然下降，從而提高飛機(jī)的整體穩(wěn)定性。
這一實(shí)驗(yàn)靈感來(lái)源于空中的飛行大師 —— 鳥類。多年前，維薩在普林斯頓大學(xué)讀研期間偶然看到一段北鰹鳥在陣風(fēng)中飛行的視頻。她注意到鸕鶿翅膀下方的小羽毛以一種不尋常的方式翹起。與塑造鳥類體型的廓羽及用于飛行的飛羽不同，這些覆羽更小、更柔軟，呈屋頂疊瓦狀分層排列。在正常飛行時(shí)，這些覆羽保持平展，但當(dāng)鳥類進(jìn)行快速轉(zhuǎn)彎或降落時(shí)，它們會(huì)微微抬起，幫助鳥類抑制湍流影響。
維薩的前學(xué)生、現(xiàn)任加州工程咨詢公司 Exponent 的航空航天工程師吉爾古斯?賽德克（Girguis Sedky）表示：“我們開始思考，是否可以利用這些使鳥類飛行如此靈活和機(jī)動(dòng)的元素，來(lái)改進(jìn)我們的工程系統(tǒng)。”
盡管失速或失控引發(fā)的空難在商業(yè)航空中較為罕見，但一旦發(fā)生就會(huì)造成災(zāi)難性后果。飛行員操作失誤、機(jī)械故障或湍流均可能導(dǎo)致飛機(jī)失速失控并從高空墜落。
通過(guò)研究多排覆羽的作用機(jī)制，并用柔性塑料襟翼模擬其效果，維薩團(tuán)隊(duì)證實(shí)這種仿生設(shè)計(jì)可提升飛機(jī)穩(wěn)定性，為未來(lái)在全尺寸飛機(jī)上應(yīng)用類似設(shè)計(jì)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的機(jī)械控制襟翼不同，這些羽毛襟翼沿著機(jī)翼上表面延展，能根據(jù)氣流變化自由移動(dòng)，類似鳥翼上的覆羽，且不依賴傳感器或執(zhí)行器控制。在維薩的模型飛機(jī)中，當(dāng)遇到湍流或大迎角時(shí)，襟翼會(huì)自動(dòng)抬起，微調(diào)氣流，從而增強(qiáng)飛機(jī)的穩(wěn)定性和升力。
維薩團(tuán)隊(duì)的研究延續(xù)了從鳥類飛行中汲取靈感這一悠久卻一度沉寂的傳統(tǒng)。15 世紀(jì)末，達(dá)芬奇（Leonardo da Vinci）就開始繪制受鳥類翅膀動(dòng)作啟發(fā)的飛行器草圖；19 世紀(jì)末，奧托?李連塔爾（Otto Lilienthal）等科學(xué)家根據(jù)鳥翼的形狀設(shè)計(jì)并制造了滑翔機(jī)。他還撰寫了詳細(xì)的案例研究，探討如何將鳥類飛行原理轉(zhuǎn)化至航空工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，這對(duì)后來(lái)的工程師，包括萊特兄弟，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
這些航空先驅(qū)對(duì)鳥類的癡迷不言而喻。荷蘭格羅寧根大學(xué)實(shí)驗(yàn)生物學(xué)家大衛(wèi)?倫丁克（David Lentink）表示：“如果連會(huì)飛的事物都未曾見過(guò)，人類怎敢想象自己翱翔？”
然而，隨著時(shí)間的推移，航空工程師們漸漸認(rèn)為，他們已經(jīng)不再需要從自然中尋找靈感。盡管世界上存在數(shù)百萬(wàn)種飛行的昆蟲、超過(guò) 1400 種蝙蝠和 1 萬(wàn)多種鳥類，但大多數(shù)飛行物種并未被深入研究。倫丁克補(bǔ)充道：“我們或許知道它們的名字、產(chǎn)卵方式或棲息地，但我們并不了解它們是如何飛行的?！彼J(rèn)為，這是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)損失，因?yàn)檠芯縿?dòng)物的飛行方式能幫助研究人員跳出傳統(tǒng)框架，獲得新視角，理解動(dòng)物如何在飛行中適應(yīng)不斷變化的物理?xiàng)l件。
維薩注意到，盡管之前的研究探討了單個(gè)覆羽狀襟翼對(duì)氣流的影響，但鳥類不僅僅有一排覆羽，而是多排相互作用的覆羽，它們相互作用的方式還未得到充分研究。關(guān)于這些相互作用、它們對(duì)氣流的影響以及如何將這些襟翼集成到飛機(jī)原型中的研究非常有限。
于是，維薩的團(tuán)隊(duì)開始在機(jī)翼上表面的不同位置安裝單排鉸接式襟翼，并通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量氣流的變化。賽德克解釋道：“當(dāng)我們將襟翼放置在不同位置時(shí)，它會(huì)顯著改變氣流，帶來(lái)一定的升力效益。”他們發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單增加襟翼的數(shù)量，便能放大這些效果。
隨后，團(tuán)隊(duì)研究了多排襟翼的效果，發(fā)現(xiàn)它們的氣動(dòng)效益得到了加強(qiáng)。為了將這些設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際飛機(jī)原型，研究團(tuán)隊(duì)考慮了合適的材料，最終選擇了輕便且柔韌的塑料薄膜，以復(fù)制覆羽的自然剛性和質(zhì)量。維薩表示：“我們的目標(biāo)是簡(jiǎn)化從生物學(xué)到工程學(xué)的轉(zhuǎn)換過(guò)程?！苯笠硗ㄟ^(guò)膠帶精確安裝在模型飛機(jī)上，確保材料和位置得當(dāng) —— 因材料剛性或重量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致襟翼無(wú)法靈活展開。
維薩及其團(tuán)隊(duì)隨后測(cè)試了襟翼在特定場(chǎng)景下的表現(xiàn)，比如飛機(jī)需要在短跑道上緊急著陸或遭遇突如其來(lái)的強(qiáng)風(fēng)。飛機(jī)翼面與迎面氣流呈大角度時(shí)保持控制至關(guān)重要，這不僅關(guān)系到飛機(jī)的穩(wěn)定性，還能有效防止失速。在風(fēng)洞試驗(yàn)和原型飛機(jī)測(cè)試中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，增加襟翼后，飛機(jī)的升力提升幅度最高達(dá) 45% ，而阻力降低了近 31%，有效防止了失速現(xiàn)象。
這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于未來(lái)航空業(yè)具有重大意義。氣候變化導(dǎo)致天氣條件愈加不可預(yù)測(cè)和極端。過(guò)去四十年中，極端湍流事件的頻率增加了 55%。為了確保乘客安全，飛機(jī)必須具備更強(qiáng)的抗擾能力，能夠在復(fù)雜條件下靈活應(yīng)對(duì)，同時(shí)保持穩(wěn)定性和安全性。
與此同時(shí)，空中交通量的不斷增長(zhǎng)，也使得探索提高飛機(jī)效率、減少飛行碳排放的創(chuàng)新成為當(dāng)務(wù)之急，而不僅僅依賴燃料的創(chuàng)新。被動(dòng)式技術(shù)改進(jìn)能夠在不依賴復(fù)雜電子系統(tǒng)的情況下，提供有效的解決方案。
然而，這類技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用之路充滿挑戰(zhàn) —— 許多受動(dòng)物啟發(fā)的技術(shù)也面臨類似困境。例如，20 世紀(jì) 80 年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鯊魚體表覆蓋著名為“微肋結(jié)構(gòu)”的細(xì)小突起，可減少游動(dòng)時(shí)的阻力。研究人員曾設(shè)想，若將這一設(shè)計(jì)應(yīng)用到飛機(jī)上，是否能夠顯著降低燃油消耗。1997 年，研究量化表明，鯊魚皮式微肋結(jié)構(gòu)可減少飛機(jī)近 10% 的阻力。然而，直到 2016 年，商用飛機(jī)測(cè)試才正式開始。
德國(guó)航空技術(shù)公司 Lufthansa Technik 開發(fā)了 AeroSHARK，一種受到鯊魚皮膚啟發(fā)的飛機(jī)表面技術(shù)。該公司發(fā)言人稱：“目前，7 家航空公司旗下的 25 架飛機(jī)已采用我們的鯊魚皮技術(shù)，且數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)。”她還表示，這種創(chuàng)新需要幾十年的持續(xù)研究，并且將新技術(shù)集成到現(xiàn)有機(jī)隊(duì)中而不干擾運(yùn)營(yíng)，依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
對(duì)于如何規(guī)模化應(yīng)用這些羽毛啟發(fā)的襟翼，維薩表示：“我們面臨一些工程實(shí)施挑戰(zhàn)，比如選擇什么樣的材料制造襟翼，以及如何將它們正確地固定到機(jī)翼上?！?/p>
但將這一創(chuàng)新應(yīng)用于商業(yè)化，遠(yuǎn)不如在小型原型飛機(jī)上安裝薄膜那樣簡(jiǎn)單。蒙特利爾大學(xué)的航空工程師魯克桑德拉?波泰茲（Ruxandra Botez）指出：“通常，商業(yè)化的整合創(chuàng)新解決方案會(huì)迅速變得復(fù)雜且需要跨學(xué)科合作。”飛機(jī)需通過(guò)一系列安全測(cè)試與認(rèn)證，耗時(shí)可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。她還提到，大多數(shù)現(xiàn)代飛機(jī)是在前一代飛機(jī)的基礎(chǔ)上逐步改進(jìn)的，制造商往往不愿偏離現(xiàn)有設(shè)計(jì)。
然而，倫丁克認(rèn)為僅聚焦于商業(yè)規(guī)?；清e(cuò)誤方向。他表示：“如果只有那些顯而易見的可擴(kuò)展性創(chuàng)新才會(huì)被測(cè)試，研究人員將無(wú)法跳出常規(guī)框架。如果你要在航空航天領(lǐng)域真正創(chuàng)新，就必須提出天馬行空的構(gòu)想?！彼J(rèn)為，過(guò)于關(guān)注最終應(yīng)用可能限制工程師創(chuàng)造新事物的能力。他補(bǔ)充道，目前這些羽毛啟發(fā)的襟翼可能距離實(shí)際應(yīng)用還較遠(yuǎn)，“但我并不視其為批評(píng)，而是看作研究人員正在開發(fā)關(guān)鍵的理念，這些理念有望通過(guò)技術(shù)進(jìn)展，朝著實(shí)際應(yīng)用邁進(jìn)?！?/p>
科學(xué)家們一致認(rèn)為，未來(lái)的飛機(jī)設(shè)計(jì)必須繼續(xù)從自然界汲取靈感。鳥類的飛行能力在靈活性和機(jī)動(dòng)性上超過(guò)了任何人類制造的飛行器。賽德克說(shuō)：“如果我們希望創(chuàng)造能在不可預(yù)測(cè)條件下高效且適應(yīng)性強(qiáng)的飛機(jī)，必然需要將鳥類飛行的某些特征融入到下一代設(shè)計(jì)中?！?/p>
即使無(wú)法應(yīng)用于大型商用飛機(jī)，維薩認(rèn)為這些羽毛啟發(fā)的創(chuàng)新可能為小型飛機(jī)帶來(lái)顛覆性改變。未來(lái)的小型飛機(jī)，特別是在包裹遞送或城市空中出行等領(lǐng)域，將扮演越來(lái)越重要的角色。像飛行出租車這樣的服務(wù)正在受到初創(chuàng)公司的關(guān)注，而這些飛機(jī)在狹小空間的起降中，襟翼設(shè)計(jì)將極大提升升力和控制能力。
維薩解釋道：“飛機(jī)尺寸越小，越易受陣風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)及湍流等環(huán)境因素影響。未來(lái)的小型飛行器如果裝備了這些襟翼，或許能應(yīng)對(duì)那些本會(huì)把飛機(jī)拋離天空的陣風(fēng)?！?/p>
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