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工大黑科技丨一片竹叶让他们做出了“飞机贴膜”

归档日期:07-01       文本归类:飞机积冰      文章编辑:爱尚语录

  当你登山时,发现一丛骨骼不甚清奇的竹叶,你会做些什么?擦肩而过、拍张照片还是摘下来编成圈圈戴在头上?而西工大却有一群脑洞无限大的老师和同学,他们小心翼翼地采下一片竹叶,像宝贝一样珍藏起来,经过一番废寝

  当你登山时,发现一丛骨骼不甚清奇的竹叶,你会做些什么?擦肩而过、拍张照片还是摘下来编成圈圈戴在头上?

  而西工大却有一群脑洞无限大的老师和同学,他们小心翼翼地采下一片竹叶,像宝贝一样珍藏起来,经过一番废寝忘食的研究,他们做出了

  这些年,空天微纳系统教育部重点实验室的何洋副教授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。

  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呢?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。

  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的机会专门去大明湖畔研究了雨荷(这是真的)。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呢?如果有一种植物在冬天也不易积冰,一定会是更好的选择。

  何洋老师和同学们随后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。

  对于西安来说,最易到达的冰雪环境便是秦岭了。何洋老师和同学们冬天冒着严寒数进秦岭,走遍了大大小小很多峪口,有时候得和资深驴友一起出没于尚未开发的荒山,他们不为了登山的乐趣,忘记了路途的艰辛劳累,只是用目光不断搜索每一寸路边、每一个峭壁。

  功夫不负有心人。几年前一个11月,课题组的一位同学在鹿角梁的一次攀登中,从皑皑白雪里,忽然看到一抹绿......

  那是一株不起眼的细竹,矮矮的长在道边,却从一片白雪中,透出翠绿的细叶,竟没有一点冰雪在上面。同学如获至宝,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。

  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,何洋老师带领同学们紧锣密鼓地开始了对秦岭箭竹叶的研究。

  何洋老师和同学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。

  随后,何洋老师带领同学们用电子显微镜仔细研究竹叶的结构。通过研究,他们确定了竹叶独特的表面结构正是它不易结冰的原因。他们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。而通过观察箭竹叶,他们发现其结构极其复杂,它特殊的表面竟是由4层完全不同的结构重叠而成的,这种多层复杂结构在以往的仿生微纳制造工艺上是从未遇到过的,这为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层结构完美无缝搭建在一起。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。

  举个例子,大家都知道在一粒米上刻字有多难,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......经过无数次的实验、无数次的失败,何洋老师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。

  何洋老师和同学们很快将“疏冰蒙皮”运用到无人机防除冰实验中。他们开展了好几次冰风洞实验,得到了不错的检验效果。随后,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。何洋老师和同学们随爱生技术集团公司一起,赴偏远高寒地区,实战检验蒙皮性能效果。

  在飞行实验中,为了让蒙皮经受住最真实严酷环境考验,何洋老师和同学们在户外忍受零下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,完成了实验。“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。”“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”何洋老师这样说道,“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”。

  为了研究秦岭箭竹叶防除冰原理,何洋老师和同学们又开始了“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,刘谦和同学们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。

  “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,“有一次,山里下雪,刮大风,人都站不稳,我们刚采了几片竹叶,就发现手上冻出了好几条口子。还有一次,山里下雨,泥都没过了膝盖,我和师弟连走带爬一路摔跤才下了山。”

  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!”

  何洋老师相信,他们一定能把秦岭箭竹叶防除冰的原理研究得水落石出,“疏冰蒙皮”也一定能走入中小型无人机防除冰实际运用。他还期待,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。

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