御风而行！下一代飞行器向鸟类借一双“翅膀”

3 月 6 日消息，普林斯顿大学的研究者们受到鸟类启发，致力于为未来的飞行器开发羽毛状的襟翼。研究表明，自由移动的襟翼能够提高飞机的稳定性，减少湍流并提升燃油效率。

在一个温暖的夏日早晨，普林斯顿大学的航空航天工程师艾米・维萨（Aimy Wissa）准备操作一架遥控飞机。这架飞机的设计并不普通。维萨的团队在机翼上表面精心粘贴了三排薄且柔韧的塑料襟翼，通过胶带连接形成铰链。

这架1.5米宽的飞机由微型飞行计算机控制，进行测试机动——逐步增大迎角直到发生失速。维萨分析机载传感器传回的数据，发现襟翼让失速表现更为平稳，并且这种情况仅在飞机迎角较大时出现，襟翼有效防止升力的突然下降，从而增强飞机的稳定性。

这一实验灵感来源于飞翔的鸟类。数年前，维萨在普林斯顿大学的研究生阶段偶然观看了北鲣鸟在风中飞翔的视频。她发现鸬鹚翅膀下的小羽毛以特殊的方式向上翘起。这些小羽毛不同于廓羽和飞羽，它们更小且更柔软，呈屋顶状叠放。在正常飞行情况下，这些羽毛保持展平状态，但在快速转弯或降落时，它们会轻微抬起，帮助鸟类减少湍流影响。

维萨的前学生、现今加州工程咨询公司 Exponent 的航空航天工程师吉尔古斯・赛德克（Girguis Sedky）表示：“我们开始设想，能否利用这些让鸟类飞行更灵活的因素来改进我们的工程设计。”

尽管商业航空中失速问题相对较少见，但一旦发生，后果往往十分严重。飞行员错误操作、机械故障或湍流都可能导致飞机失速并迅速坠毁。

通过研究多排覆羽的作用，并用柔性塑料襟翼来模拟这些效应，维萨团队证实了这种仿生设计能够提高飞机的稳定性，奠定了未来在全尺寸飞行器上应用此类设计的技术基础。与传统机械控制的襟翼不同，这种羽毛襟翼沿机翼上表面延展，能够自适应气流变化，不依赖于传感器或执行器进行控制。在维萨的模型飞机中，在遇到湍流或高迎角时，襟翼会自动抬升，调整气流，从而提高飞机的稳定性和升力。

维萨团队的研究延续了从鸟类飞行获得灵感的悠久传统。达芬奇于15世纪末期便开始草绘受鸟类翅膀动作影响的飞行器；19世纪末，奥托・李连塔尔（Otto Lilienthal）等科学家则基于鸟翼的形状设计制造滑翔机。他撰写的详尽研究探讨了将鸟类飞行原理应用到航空工程的实际方案，此研究对后来的航空工程师，包括莱特兄弟，产生了深远影响。

这些航空领域的先驱们对鸟类飞行的痴迷显而易见。荷兰格罗宁根大学的实验生物学家大卫・伦丁克（David Lentink）指出：“如果连会飞的生物都未曾观察到，人类如何敢想象自己能够飞翔？”

然而，随着时间的推移，航空工程师们逐渐认为不再需要从自然界寻找灵感。尽管飞行的昆虫、蝙蝠和鸟类数量庞大，但大多数飞行生物并未被深入研究。伦丁克补充道：“我们或许知道它们的种类、繁殖方式或栖息环境，但我们并不了解它们的飞行机制。”他认为这是个巨大的机会损失，因为研究动物飞行的方式能够帮助研究者超越传统思维，获得新的视野，以理解动物如何在飞行过程中适应不断变化的物理环境。

维萨注意到，先前的研究主要集中在单个襟翼对气流的影响，而鸟类的覆羽并非仅有一排，它们之间存在复杂的相互作用，这一方面仍待更深入的研究。关于这些相互作用、其对气流的影响以及如何将这些设计整合到飞机原型中的研究亦相对有限。

因此，维萨的团队开始在机翼表面不同位置安装单排铰接式襟翼，并通过风洞实验测量气流的变化。赛德克解释道：“我们发现，襟翼在不同位置的布置显著影响气流，并带来升力收益。”他们还发现，简单地增加襟翼数量就能增强这一效果。

接下来，团队探讨了多排襟翼的效应，发现其气动表现得到了进一步改善。为将这些设计应用于真实的飞机原型，研究团队选择了合适的材料，最终决定使用轻巧且柔韧的塑料薄膜，以复制覆羽的自然特性和质量。维萨表示：“我们的目标是简化生物学与工程学之间的转化过程。”襟翼通过胶带精确安装在模型飞机上，以确保材料和位置的正确性——材料的刚性或重量过大会影响襟翼的灵活性。

维萨及其团队随后测试了襟翼在特定场景下的表现，例如飞机需要在短跑道上紧急着陆或遭遇强风。确保飞机在迎面气流高角度情况下控制十分关键，这关乎飞机的稳定性，也能有效预防失速。在风洞实验和原型飞机测试中，研究团队发现，增加襟翼使得飞机的升力提升最高可达 45%，同时阻力降低近 31%，从而有效防止失速现象。

这些发现对未来航空业的重要性不言而喻。因气候变化，天气条件日益不可预测和极端。过去四十年，极端湍流事件的频率增加了 55%。为了确保乘客的安全，飞机必须具备更强的抗扰能力，能够在复杂的环境中灵活应对，并保持稳定性。

同时，随着空中交通量的持续增长，探索提升飞机效率、降低碳排放的创新迫在眉睫，而不能仅依赖于燃料方面的创新。被动式技术改进能够在不依赖复杂电子系统的情况下，提供有效的解决方案。

不过，这类技术商业化之路充满挑战——许多受到动物启发的技术也面临着类似的问题。例如，20世纪80年代，科学家发现鲨鱼表面具有微肋结构，能减少游泳时的阻力。研究者曾设想将这一设计应用于飞机，是否能显著降低油耗。1997年的研究量化表示，鲨鱼皮的微肋结构可降低飞机近10%的阻力，但直到2016年，商用飞机测试才正式开启。

德国航空公司 Lufthansa Technik 开发了一种名为 AeroSHARK 的飞机表面技术，受到鲨鱼皮肤的启发。该公司发言人表示：“目前已经有7家航空公司旗下的25架飞机采用了我们的鲨鱼皮技术，数字还在增加。”她指出，这种创新需要几十年的持续研究，而且将新技术整合到现有机队中而不影响运营，仍然是一项巨大的挑战。

对于如何在大规模应用这些羽毛启发的襟翼，维萨指出：“我们面临一些工程实施上的挑战，如何选择合适的材料制作襟翼，如何将其正确固定在机翼上。”

不过，将这项创新商业化的过程远不如在小型原型飞机上简单。蒙特利尔大学的航空工程师鲁克桑德拉・波泰兹（Ruxandra Botez）指出：“商业化整合创新解决方案通常会变得复杂且需要跨学科合作。”飞机必须经过严苛的安全测试和认证，过程可能长达数年。她还提到，许多现代飞机的设计是在前一代基础上改善而来的，制造商通常不愿意偏离现有设计。

尽管如此，伦丁克认为仅仅关注商业规模化是个错误方向。他表示：“如果只有那些显而易见的可扩展创新才会被测试，研究人员就无法打破常规思维的限制。如果想在航空航天领域真正创新，就必须提出一些非常规的构想。”他补充道，现实中这些羽毛启发的襟翼可能距离实际应用尚远，“但我并不将其视为批评，而是看作研究人员正在开发的重要理念，这些理念有望通过技术进步达到实际应用。”

科学家一致认为，未来的航空设计需要继续从自然界汲取灵感。鸟类在灵活性和机动性方面的飞行能力超越了任何人工飞行器。赛德克表示：“如果我们的目标是设计出能在不可预测环境中高效灵活的飞机，就必须将鸟类的飞行特性融入下一代的设计中。”

即便无法完全应用于大型商用飞行器，维萨认为，这些羽毛启发的设计或许会对小型飞机带来颠覆性改变。未来的小型飞机在包裹运输或城市空中出行等领域中的重要性与日俱增。像飞行出租车这样的新兴服务正受到很多初创公司的关注，而这些飞机在狭小空间的起降中，特定的襟翼设计将极大提升升力和控制效果。

维萨解释说：“飞机的尺寸越小，越容易受到阵风、强风及湍流等环境因素的影响。未来的小型飞行器如果配备这些襟翼，可能更能应对那些可能使飞机失控的强风。”

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