受羽毛启发的襟翼或可防止飞机失速

如果您曾经坐在飞机机翼上俯瞰机翼，那么您可能会注意到机翼边缘有多个襟翼，它们在起飞和降落时会进行调整。这些部件就像鸟的羽毛一样，对于控制飞行器在飞行过程中的旋转、升力和阻力必不可少。然而，与鸟类的羽毛不同，这些装置通常沿着机翼单排放置，并且需要电子元件在飞行过程中进行控制。

与此同时，数百万年来，鸟类一直在天空中翱翔，它们拥有成倍增加的“襟翼”，即隐蔽的羽毛群，可以被动地根据气流进行调整。一些工程师从鸟类身上获得启发，认为飞机可以制造得更安全、更节能。他们的研究结果于 10 月 28 日发表在《美国国家科学院院刊》上，似乎支持这种羽毛飞机升级。

普林斯顿大学的研究人员最近对一架小型遥控模型飞机进行了升级，增加了模仿隐羽的襟翼排。隐羽是鸟类的羽毛群，在应对风阵和着陆等复杂动作时会被动调整。通过这种方式，该团队认为类似的仿生设计有朝一日可能有助于飞机提高整体性能，避免潜在的危险失速紧急情况。

虽然之前的“研究表明[隐性羽毛]可以增强飞行性能，例如着陆或穿越阵风飞行”，但该团队写道，“目前对其背后的物理原理或多排襟翼的含义尚无共识。”为了解决这个问题，他们首先在 3D 打印的比例模型飞机机翼上安装了两到五排隐性襟翼，然后在 30 英尺高的装置中对其原型进行风洞测试。在风洞内，传感器以及激光和高速摄像机的组合在各种条件模拟期间精确测量了机翼周围的气流。他们还使用了一个装有标准单排襟翼的机翼模型作为对照。

“风洞实验让我们能够非常精确地测量空气与机翼和襟翼的相互作用，我们可以从物理角度看到实际发生的情况，”博士后研究员、研究主要作者 Girguis Sedkey 在周一的大学简介中说道。在分析数据后，Sedkey 及其团队确定了襟翼控制机翼周围气流的具体方式。其中之一，即“剪切层相互作用”，此前从未在航空测试中被记录下来。

“这一新机制的发现揭开了鸟类为何在机翼前部长有这些羽毛以及我们如何将这些襟翼用于飞机的秘密，”机械和航空航天工程助理教授兼这项研究的首席研究员 Aimy Wissa 补充道。Wissa 补充说，在所有模型中，五排设计表现最佳，升力提高了 45%，阻力降低了 30%。

她解释道：“机翼前部添加的襟翼越多，性能效益就越高。”

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在这些初步实验之后，Wissa 的团队开始进行户外飞行测试，使用从普林斯顿大学萨默塞特 RC 模型飞机俱乐部借来的鸟形 R/C 无人驾驶飞机。工程师首先安装了隐蔽襟翼排，然后对机载飞行计算机进行编程，使其自动失速。然后，研究人员启动他们的模型，观察它如何应对空中挑战。每次计算机启动失速时，飞机的隐蔽襟翼排都会被动展开，以减轻失速强度。

“这就是仿生设计的力量，”维萨说。“能够将生物学的东西转移到工程学上，以改进我们的机械系统，同时还能使用我们的工程工具来解答有关生物学的问题。”

Wissa 和她的同事认为，鸟类的隐羽可能不仅仅适用于飞机。考虑到气流流体动力学，他们指出，探索类似的适应性以改善汽车、潜水器甚至风力涡轮机的效率和安全性具有潜力。