大型飞机采用三种方式防除冰
飞机的防除冰不是个小问题。飞机一旦积冰,轻则影响气动外形、电子传感等,重则可能造成事故甚至坠毁。
▲大型飞机防除冰采用三种方式。
当前大型飞机主要采用三种方式防除冰:一是气热,用热空气或电加热系统使机体不积冰;二是通过在机体喷射防冻液等办法阻止积冰;三是在机体设置防冰橡皮囊,间歇性压缩空气让橡皮囊收缩,使上面的冰层破碎脱落,物理除冰。
但对于中小型无人机来说,没有涡轮式发动机可提供除冰的气热,机械除冰又会改变机身外形、负重,防除冰只能采用能耗低、负载小的防除冰手段。
多年来,何洋另辟蹊径,从研究飞机的结冰原理出发,把目光锁定“机身表面”,研究不易结冰的机身表面材料。“仿生学”给了他启示,有的植物在冰雪环境中不易结冰。
秦岭雪地里找到“秦岭箭竹”
他们首先想到了不会积水的荷叶,但荷叶只在夏天存在,没有冬天冰雪环境的检验。于是,何洋带着大学生们冒着严寒奔波在冰天雪地的秦岭中,找寻不易积冰的植物,有时还与资深驴友相伴,攀爬尚未开发的荒山。在鹿角梁的一次攀登中,一名学生发现了一株长在路边的细竹,白雪中透出翠绿的细叶,上面没有一点冰雪。他们如获至宝,兴奋地采集下来,当成宝贝疙瘩。
实验室主任苑伟政得知后,帮助联系实验条件。通过走访多位生物学专家获知,这种矮小的细竹叫“秦岭箭竹”,是大熊猫主食的竹种之一。
▲冰雪中不易结冰的竹叶。
随后,他们研究竹叶的结构发现,其独特的表面结构正是它不易结冰的原因。于是决定从微观层面仿生竹叶结构,制作“蒙皮”,贴在无人机易结冰部位“防除冰”。
然而,要做出与竹叶一模一样的表面结构,可是一项高科技。观察发现,这种竹叶的结构极其复杂,表面竟是由4层完全不同的结构重叠而成,在以往仿生微纳制造工艺上从未遇到过。
▲空天微纳系统教育部重点实验室何洋副教授。
何洋团队创新性地提出了“分层组装”的制造方法,就是分别制造每一层结构,再把4层结构完美无缝地搭建在一起,但无论是工艺还是对接的准确性,都是挑战。
须知,在一粒米上刻字就很难,而这次微纳仿生,是要用一粒米的1/1000大小的“砖”,搭建一栋每层都极不相同的4层建筑!难度可想而知。
▲课题组成员在秦岭踏着泥泞的山路找寻植物。
▲课题组硕士研究生刘谦身背实验设备在秦岭山中。
“疏冰蒙皮”有效防除冰
经过无数次实验,他们采用仿生微纳技术,复制了竹叶的表皮,做出了“疏冰蒙皮”,该蒙皮实现了可在高寒环境中抵御积冰的表面微观结构,运用于无人机防除冰实验。
▲课题组在实验室里研究分析秦岭箭竹。
几次冰风洞实验,获得不错的检验效果。多轮试验后,中国空气动力研究与发展中心冰风洞测试报告认为:“与目前公开报道的国际上同类研究相比,超过国际先进水平。”随后,在爱生技术集团公司的支持下,团队将蒙皮在某型无人机上进行飞行试验,实战检验蒙皮的性能效果。爱生技术集团公司飞行试验应用证明:“在国际上首次实现了中小型无人机防除冰功能飞行实验,为中小型无人机防除冰提供了一种有效的手段。”
何洋副教授告诉记者:“疏冰蒙皮在中小型无人机防除冰方面通过了实验验证,但离蒙皮的实际运用,还有很长的路要走。”目前,该团队正开展箭竹叶的更深入研究,以彻底搞清箭竹叶防除冰的详细机理和深层次原因。
何洋相信,他们一定能把秦岭箭竹叶防除冰的原理研究得透透彻彻,“疏冰蒙皮”也一定能走入中小型无人机防除冰的实际运用。“这种由竹叶转化而来的微纳技术,将来可以运用到大型飞机、直升机、风力发电机、电线、公路等多个方面的防除冰中。”何洋满怀期待。
文:报驻陕记者韩 宏 通讯员蔡金延 胡彦鹏
图:西北工业大学
编辑制作:韩 宏
责任编辑:朱 辉
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