西工大首创无人机防除冰“黑科技” 一片竹叶做出了“飞机贴膜”

2018-10-31 18:29 来源:中国青年网

  中国青年网西安10月31日电(记者 代红玉)一丛骨骼不甚清奇的竹叶“遇见”一群脑洞无限大的老师和同学,被小心翼翼摘下,像宝贝一样珍藏起来,并经过一番废寝忘食的研究,脱胎换骨成为飞机贴膜。 

  西北工业大学经过多年研究,利用这一株神奇的竹叶研制出专为解决“中小型无人机防除冰”的机身表面,解决了机身结冰的一大难题。 

  冰天雪地里遇见那一抹绿 

  这些年,西北工业大学的空天微纳系统教育部重点实验室副教授何洋经常带领学生奔赴冰天雪地中,希望可以找到一种“不易结冰”的东西。 

  “中小型无人机防除冰”一直是何洋和同学们想要解决的问题。飞机防除冰至关重要,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:加热、防冻液、橡皮囊收缩振掉。 

  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。为此,何洋决定另辟蹊径,从结冰原理开始研究,想要探究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。 

   

  西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室副教授何洋。西北工业大学供图 

  何洋和同学们首先想到的是荷叶,因为荷叶不会积水,随即前往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。但新的问题随之而来,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。他们在想,如果有一种植物在冬天也不易积冰,一定会是更好的选择。 

  对于西安来说,最易到达的冰雪环境便是秦岭了。何洋带领同学们在冬天冒着严寒数进秦岭,走遍了大大小小很多峪口,有时候和资深驴友一起出没于尚未开发的荒山,不断搜索每一寸路边、每一个峭壁。 

  课题组在秦岭发现箭竹。西北工业大学供图 

  功夫不负有心人,几年前的11月,课题组一位同学在鹿角梁的一次攀登中,在皑皑白雪里忽然看到一抹绿。那是一株不起眼的细竹,矮矮的长在道边,在一片白雪中透出翠绿的细叶,竟没有一点冰雪在上面。他如获至宝,在驴友们不解的目光中,兴奋地采下竹叶,小心翼翼地保藏起来。竹叶被带回学校时,整个教研室都沸腾了。 

  神奇的竹叶给实验带来希望 

 

  秦岭箭竹。西北工业大学供图 

  空天微纳系统教育部重点实验室主任苑伟政在得知何洋老师团队带回一片神奇的竹叶后,也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,何洋带领同学们紧锣密鼓地开始了对秦岭箭竹叶的研究。他们首先带着竹叶走访了多位生物学专家,搞清楚了竹子的“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。 

  在采集到足够的资源后,何洋和同学们用电子显微镜仔细研究竹叶的结构,确定了竹叶独特的表面结构正是它不易结冰的原因。因此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。 

课题组成员在实验室细致研究竹叶。西北工业大学供图 

  经过无数次的实验、无数次的失败,何洋和同学们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。 

疏冰蒙皮。西北工业大学供图 

  他们很快将“疏冰蒙皮”运用到无人机防除冰实验中,开展了好几次冰风洞实验,得到了不错的检验效果。在爱生技术集团公司的支持下,团队获得了将蒙皮在无人机上进行飞行试验的机会。最终,“疏冰蒙皮”的防除冰效果和强度、可靠性都得到了实践验证。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。 

  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。 

  百尺竿头深入秦岭再寻叶 

  “我们通过仿生微纳技术制作了‘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,我们还有很长的路要走”,何洋这样说道,“同时,我们已经在开展对箭竹叶的更深入研究,希望彻底弄清楚箭竹叶防除冰的详细机理和深层次原因”。 

在全是淤泥的山路上寻找竹叶。西北工业大学供图 

  为了研究秦岭箭竹叶防除冰原理,实验团队又开始了“爬山寻叶”的艰苦探索。刘谦是课题组硕士研究生,为了研究竹叶,刘谦和同学们已进山20多次,爬遍了“秦岭十峰”。 

  为了防止竹叶采摘后脱水枯萎达不到研究标准,团队往往要就地开展研究,为此,他们每次进山都要背2、30公斤的实验设备,一次往返少则8、9小时,多则2、3天。 

刘谦背着实验设备在秦岭山顶。西北工业大学供图 

  “我们要趁冰雪环境进山,雪太大封山也不行,所以一有合适的天气我们就说走就走。秦岭箭竹往往都生长在很偏远的山上,很多地方都没开发过,我们都是尽量报名参加户外俱乐部,跟着资深驴友走采药人的路去找竹子。”刘谦介绍道。 

  虽然一路走来满是艰辛,但何洋老师和同学们提到“给飞机贴膜”的壮举,都满是激动和自豪。“采竹叶、做实验,吃的苦都值得!” 

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