鸟类翅膀启发飞行安全的新方法
普林斯顿大学的工程师们从鸟类羽毛中获得灵感，发现在遥控飞机的机翼上增加几排襟翼可以提高飞行性能，并有助于防止失速，失速是一种可能危及飞机在空中停留能力的情况。机械和航空航天工程助理教授、这项研究的首席研究员艾米·维萨 (Aimy Wissa) 表示：“这些襟翼既可以帮助飞机避免失速，又可以在失速时更容易重新获得控制。”这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
这些羽翼模仿了一组被称为覆羽的羽毛，当鸟类进行某些空中动作时，如着陆或乘风飞行时，这些羽毛就会展开。生物学家已经观察到这些羽毛何时以及如何展开，但还没有研究量化覆羽在鸟类飞行过程中的空气动力学作用。
工程学研究已经研究了受隐羽启发的襟翼，以改善工程机翼的性能，但大多忽略了鸟类有多排隐羽。普林斯顿团队通过展示多组襟翼如何协同工作并探索控制相互作用的复杂物理原理，推动了这项技术的发展。
博士后研究员兼论文主要作者 Girguis Sedky 称该技术是“一种简单且经济有效的方法，无需额外的动力即可大幅提高飞行性能”。
隐形襟翼会根据气流变化展开或向上翻转，无需外部控制机制。它们提供了一种廉价而轻便的方法来提高飞行性能，而无需复杂的机械。“它们本质上只是灵活的襟翼，如果设计和放置得当，可以大大提高飞机的性能和稳定性，”维萨说。
机翼的泪滴形状迫使空气快速流过机翼顶部，形成低压区，将飞机拉起。同时，空气推向机翼底部，增加向上的压力。设计师将这种拉力和推力的结合称为“升力”。飞行条件的变化或飞机速度的下降都可能导致失速，从而迅速降低升力。
Wissa 的团队在普林斯顿大学福里斯特尔校区的风洞中设计了一系列实验，以了解模仿羽毛的襟翼将如何影响飞行性能，特别是近失速性能，这通常发生在飞机处于陡峭角度时，此时可以观察到隐蔽的羽毛展开。
通过该隧道，研究小组可以检查不同的襟翼布置如何影响机翼周围气压、机翼上方的风速以及影响性能的涡流等变量。
研究团队将隐蔽式襟翼安装到 3D 打印的模型飞机机翼上，并将其安装在风洞中。风洞是一个 30 英尺高的金属装置，用于模拟和测量气流。“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，”Sedky 说。
博士后研究员 Girguis O. Sedky 坐在风洞内，展示安装在 3D 打印模型飞机机翼上的隐蔽羽毛襟翼。襟翼会根据气流变化自动展开，有助于防止飞机失速。图片来源：普林斯顿大学/Lori Nichols
风洞配备了可读取机翼所受力的传感器，以及可精确测量机翼周围空气运动情况的激光器和高速摄像机。
这项研究揭示了襟翼提高升力的物理原理，并确定了襟翼控制机翼周围空气流动的两种方式。其中一种控制机制此前从未被确定过。
研究人员在测试靠近机翼前部的单个襟翼的效果时发现了一种新机制，称为剪切层相互作用。他们发现另一种机制只有当襟翼位于机翼后部时才有效。
研究人员测试了单襟翼和多襟翼配置，襟翼排数从两排到五排不等。他们发现，五排配置可将升力提高 45%，将阻力降低 30%，并增强了机翼整体稳定性。
“这一新机制的发现揭开了鸟类为何在机翼前部有这些羽毛以及我们如何将这些襟翼用于飞机的秘密，”维萨说。“特别是因为我们发现在机翼前部添加的襟翼越多，性能优势就越大。”
根据风洞实验的结果，研究小组走出实验室，进入实地，在缩小的模型飞机上测试隐蔽襟翼。普林斯顿的福雷斯特校区曾经是一座机场，现在仍设有一个直升机停机坪。
因此，研究人员与研究无人机飞行的机械和航空航天工程研究生纳撒尼尔·西蒙 (Nathaniel Simon) 合作，并通过在无线电遥控 (RC) 飞机上配备隐蔽襟翼，在现实条件下展示了这项技术。
研究人员与萨默塞特 RC 模型飞机俱乐部的成员一起挑选了一架模型飞机。研究人员随后对机身进行了改装，为其配备了机载飞行计算机，西蒙则利用自己驾驶无人机的经验来驾驶这架飞机。他们为飞行计算机编写了程序，让飞机自动反复失速。
西蒙说，看到襟翼在飞行过程中展开，并看到它们有助于延迟和降低失速强度，就像在风洞中一样，真是太神奇了。“能够在福里斯特尔校园的共享空间中合作，并看到这个项目涉及了多少研究领域，这真是太酷了，”他说。
塞德基表示，除了改善飞行之外，他们的发现还可以扩展到其他应用，通过改变周围的流体可以提高性能。
他说：“我们对覆翼如何改变机翼周围气流的发现可以应用于其他流体和其他物体，使其适用于汽车、水下航行器甚至风力涡轮机。”
维萨表示，这项研究可以为与生物学家的合作打开大门，以进一步了解隐羽在鸟类飞行中的作用，并且这项研究的结果将有助于形成可以在鸟类身上进行测试的新假设。
“这就是仿生设计的力量，”她说，“能够将生物学原理转移到工程学上，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。”
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