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工大黑科技丨一片竹叶,让他们做出了“飞机贴膜”,有望彻底解决防除冰难题
梅西 2018-11-01
导语

竹叶独特的表面结构,正是它不易结冰的原因。团队决定从微观层面仿生竹叶结构,制作出一种“蒙皮”,贴在中小型无人机易结冰部位,达到防除冰效果。

一片不起眼的竹叶,有什么用?利用竹叶仿生原理,西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室的何洋副教授团队成功做出了无人机“疏冰蒙皮”,这样的“飞机贴膜”有望彻底解决“中小型无人机防除冰”的难题。

冰雪中不易结冰的竹叶。课题组供图

据介绍,飞机防除冰是一件很重要的事。当飞机经过高寒环境,冷水滴或降水中的过冷雨碰到飞机机体,或水汽直接在机体表面凝华,都会形成积冰。飞机一旦积冰,轻则影响气动外形、电子传感等,重则有可能造成事故甚至坠毁。

当前,大型飞机主要采用3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;二是在机体喷射防冻液等,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,所以防除冰成为了一个难题,只能采用能耗低、负载小的防除冰手段。

何洋老师决定另辟蹊径,从结冰原理开始研究,从“机身表面”做文章——有没有可能做出一种不易结冰的机身表面?这时,“仿生学”给了他启示,也许有的植物在冰雪自然环境中不容易结冰。

在实验室细致研究竹叶。课题组供图

他们首先想到的是荷叶,因为荷叶不会积水。为此,何洋老师和同学们利用出差机会,专门去大明湖畔研究了雨荷。通过荷叶研究,他们发现:荷叶的表面结构确实不易积冰,但荷叶只在夏天存在,没有经过冬天冰雪环境的检验,防除冰性能是否可靠?如果有一种植物在冬天也不易积冰,一定会是更好的选择。

随后,何洋团队开始了对冰雪环境的探索,他们千方百计去冰天雪地中找寻一种不易积冰的植物。对西工大所在地——西安来说,最易到达的冰雪环境便是秦岭了。冬天,何洋老师和同学们冒着严寒数挺进秦岭,走遍了大大小小很多峪口。

有时候,他们和资深驴友一起,出没于尚未开发的荒山,不同的是,他们的目的不是登山的乐趣,而是不顾路途的艰辛劳累,用目光不断搜索着身边的每一棵植物和每一处峭壁。

功夫不负有心人。在鹿角梁的一次攀登中,有课题组成员从皑皑白雪里看到一抹绿……那是一株不起眼的细竹,矮矮的长在道边——从一片白雪中透出翠绿,细叶上竟没有一点冰雪。同学如获至宝,兴奋地采下竹叶,小心翼翼带回了学校。

得知何洋老师团队带回一片神奇的竹叶,空天微纳系统教育部重点实验室主任苑伟政非常肯定团队的想法,并为后续研究提出了思路,帮助联系实验条件。在学院的指导和支持下,何洋老师带领同学们紧锣密鼓地开始了对秦岭箭竹叶的研究。

疏冰蒙皮。课题组供图

他们带着竹叶,走访了多位生物学专家,搞清了竹子的生世。原来,这种矮小的细竹叫“秦岭箭竹”,它特产于大秦岭,也是大熊猫主食竹种之一——秦岭箭竹。

经过电子显微镜的仔细研究,他们确定:竹叶独特的表面结构,正是它不易结冰的原因。团队决定从微观层面仿生竹叶结构,制作出一种“蒙皮”,贴在中小型无人机易结冰部位,达到防除冰效果。

从仿生微纳角度,做出和竹叶一样的表面结构,是一项高技术含量的工程。通过观察箭竹叶,他们发现其结构极其复杂,其特殊的表面竟是由4层完全不同的结构重叠而成,这种多层复杂结构在以往的仿生微纳制造工艺上从未遇到,这给项目提出了巨大的挑战。

经过深入思考和多次讨论,何洋老师和同学们创新提出了“分层组装”的制造方法,即分别制造每一层结构,再精细化地把4层结构无缝搭建在一起。然而,单层结构的制造都十分困难,4层拼接,无论对工艺还是对接准确性都提出了极高的要求,可谓是难上加难。

举例说明:大家都知道,在一粒米上刻字有多难。而这次的微纳仿生,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……

经过无数次实验、无数次失败,团队成员终于采用仿生微纳技术将秦岭箭竹叶的表皮完美复制,做出了“疏冰蒙皮”,实现了可以在高寒环境中抵御积冰的表面微观结构。

课题组成员背着实验设备在山顶。课题组供图

很快,何洋老师和同学们就将“疏冰蒙皮”运用到了无人机防除冰实验中。他们开展了数次冰风洞实验,得到了不错的检验效果。之后,他们得到了爱生技术集团公司的支持,获得了将蒙皮在无人机上进行飞行试验的机会。

对蒙皮性能效果的实战检验,在偏远的高寒地区进行。为了让蒙皮经受住最真实、严酷的环境考验,团队忍受住零下10度的严寒和蚀骨的冷风,整整等了3个通宵才迎来了实验的天气条件。

多轮试验后,“疏冰蒙皮”的防除冰效果和强度、可靠性都得到了实践验证。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”。

亚洲最大的无人机研发生产基地爱生技术集团公司应用证明认为:“某型无人机采用了所研制的疏冰微纳结构复合蒙皮,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。”

“通过仿生微纳技术制作的疏冰蒙皮,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。”何洋告诉记者,目前,团队已经在开展对箭竹叶的更深入研究。他希望能彻底弄清楚箭竹叶防除冰的详细机理和深层次原因,让这一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。

(本文来源中青在线,作者:蔡金延 胡彦鹏 孙海华)

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  • 无人机防除冰
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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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