西工大首創無人機防除冰“黑科技” 一片竹葉做出了“飛機貼膜”

2018-11-01 11:53:26|來源:中國青年網|編輯:王菲|責編:趙瀅溪

  一叢骨骼不甚清奇的竹葉“遇見”一群腦洞無限大的老師和同學,被小心翼翼摘下,像寶貝一樣珍藏起來,並經過一番廢寢忘食的研究,脫胎換骨成為飛機貼膜。 

  西北工業大學經過多年研究,利用這一株神奇的竹葉研製出專為解決“中小型無人機防除冰”的機身表面,解決了機身結冰的一大難題。 

  冰天雪地媢J見那一抹綠 

  這些年,西北工業大學的空天微納系統教育部重點實驗室副教授何洋經常帶領學生奔赴冰天雪地中,希望可以找到一種“不易結冰”的東西。 

  “中小型無人機防除冰”一直是何洋和同學們想要解決的問題。飛機防除冰至關重要,當飛機經過高寒環境,冷水滴或降水中的過冷雨碰到飛機機體,或水汽直接在機體表面凝華,都會形成積冰。飛機一旦積冰,輕則影響氣動外形、電子傳感等,重則有可能造成事故甚至墜毀。當前大型飛機主要採用3種方式防除冰:加熱、防凍液、橡皮囊收縮振掉。 

  但對於中小型無人機來說,沒有渦輪式發動機可提供除冰的氣熱,機械除冰又會改變機身外形、負重,所以防除冰成為了一個難題,只能採用能耗低、負載小的防除冰手段。為此,何洋決定另辟蹊徑,從結冰原理開始研究,想要探究有沒有可能做出一種不易結冰的機身表面。這時,“倣生學”給了他啟示,也許有的植物在冰雪自然環境中不容易結冰。 

 

  西北工業大學空天微納系統教育部重點實驗室副教授何洋。西北工業大學供圖 

  何洋和同學們首先想到的是荷葉,因為荷葉不會積水,隨即前往大明湖畔研究了雨荷。通過荷葉研究,他們發現,荷葉的表面結構確實不易積冰。但新的問題隨之而來,荷葉只在夏天存在,沒有經過冬天冰雪環境的檢驗,防除冰性能是否可靠。他們在想,如果有一種植物在冬天也不易積冰,一定會是更好的選擇。 

  對於西安來說,最易到達的冰雪環境便是秦嶺了。何洋帶領同學們在冬天冒著嚴寒數進秦嶺,走遍了大大小小很多峪口,有時候和資深驢友一起出沒于尚未開發的荒山,不斷搜索每一寸路邊、每一個峭壁。 

  課題組在秦嶺發現箭竹。西北工業大學供圖 

  功夫不負有心人,幾年前的11月,課題組一位同學在鹿角梁的一次攀登中,在皚皚白雪堜艙M看到一抹綠。那是一株不起眼的細竹,矮矮的長在道邊,在一片白雪中透出翠綠的細葉,竟沒有一點冰雪在上面。他如獲至寶,在驢友們不解的目光中,興奮地採下竹葉,小心翼翼地保藏起來。竹葉被帶回學校時,整個教研室都沸騰了。 

  神奇的竹葉給實驗帶來希望 

  秦嶺箭竹。西北工業大學供圖 

  空天微納系統教育部重點實驗室主任苑偉政在得知何洋老師團隊帶回一片神奇的竹葉後,也非常肯定團隊的想法,併為後續研究提出了思路,幫助聯絡實驗條件。在學院的指導和支持下,何洋帶領同學們緊鑼密鼓地開始了對秦嶺箭竹葉的研究。他們首先帶著竹葉走訪了多位生物學專家,搞清楚了竹子的“生世”。原來,這種矮小的細竹叫“秦嶺箭竹”,它特產于大秦嶺,也是大熊貓主食竹種之一。 

  在採集到足夠的資源後,何洋和同學們用電子顯微鏡仔細研究竹葉的結構,確定了竹葉獨特的表面結構正是它不易結冰的原因。因此決定從微觀層面倣生竹葉結構,製作出一種“蒙皮”,貼在中小型無人機易結冰部位,達到防除冰效果。 

  課題組成員在實驗室細緻研究竹葉。西北工業大學供圖 

  經過無數次的實驗、無數次的失敗,何洋和同學們終於採用倣生微納技術將秦嶺箭竹葉的表皮完美複製,做出了“疏冰蒙皮”,實現了可以在高寒環境中抵禦積冰的表面微觀結構。 

  疏冰蒙皮。西北工業大學供圖 

  他們很快將“疏冰蒙皮”運用到無人機防除冰實驗中,開展了好幾次冰風洞實驗,得到了不錯的檢驗效果。在愛生技術集團公司的支持下,團隊獲得了將蒙皮在無人機上進行飛行試驗的機會。最終,“疏冰蒙皮”的防除冰效果和強度、可靠性都得到了實踐驗證。多輪試驗後,中國空氣動力研究與發展中心冰風洞測試報告認為,與目前公開報道的國際上同類研究相比,超過國際先進水平。 

  亞洲最大的無人機研發生產基地愛生技術集團公司應用證明認為,某型無人機採用了所研製的疏冰微納結構複合蒙皮,在國際上首次實現了中小型無人機防除冰功能飛行實驗,為中小型無人機防除冰提供了一種有效的手段。 

  百尺竿頭深入秦嶺再尋葉 

  “我們通過倣生微納技術製作了‘疏冰蒙皮’,在中小型無人機防除冰方面通過了實驗驗證,但離蒙皮的實際運用,我們還有很長的路要走”,何洋這樣說道,“同時,我們已經在開展對箭竹葉的更深入研究,希望徹底弄清楚箭竹葉防除冰的詳細機理和深層次原因”。 

  在全是淤泥的山路上尋找竹葉。西北工業大學供圖 

  為了研究秦嶺箭竹葉防除冰原理,實驗團隊又開始了“爬山尋葉”的艱苦探索。劉謙是課題組碩士研究生,為了研究竹葉,劉謙和同學們已進山20多次,爬遍了“秦嶺十峰”。 

  為了防止竹葉採摘後脫水枯萎達不到研究標準,團隊往往要就地開展研究,為此,他們每次進山都要背2、30公斤的實驗設備,一次往返少則8、9小時,多則2、3天。 

  劉謙背著實驗設備在秦嶺山頂。西北工業大學供圖 

  “我們要趁冰雪環境進山,雪太大封山也不行,所以一有合適的天氣我們就說走就走。秦嶺箭竹往往都生長在很偏遠的山上,很多地方都沒開發過,我們都是儘量報名參加戶外俱樂部,跟著資深驢友走採藥人的路去找竹子。”劉謙介紹道。 

  雖然一路走來滿是艱辛,但何洋老師和同學們提到“給飛機貼膜”的壯舉,都滿是激動和自豪。“採竹葉、做實驗,吃的苦都值得!”(記者 代紅玉)

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