翼尖之上看無人機(jī)如何“制服”空氣

當(dāng)一陣嗡鳴聲劃破午后的寧?kù)o，一架無人機(jī)掠過藍(lán)色的天幕，人們抬頭望去，或許會(huì)被它靈活的身姿吸引——瞬間完成360度旋轉(zhuǎn)、小半徑環(huán)繞盤旋、精準(zhǔn)定點(diǎn)懸停等動(dòng)作。然而，可能很少有人留意到翼尖劃出的精妙曲線。

從固定翼無人機(jī)的翼稍小翼到多旋翼無人機(jī)的機(jī)臂旋翼，在這些看似不起眼的設(shè)計(jì)中，每一處線條、每一個(gè)傾角，都藏著飛行美學(xué)的奧秘。

不同角度認(rèn)識(shí)飛機(jī)

一臺(tái)300克左右的小無人機(jī)是如何完成前進(jìn)、后退、盤旋甚至360度旋轉(zhuǎn)這類靈活動(dòng)作的呢？在了解這些前，我們先給飛機(jī)分個(gè)類。

飛機(jī)可按用途、動(dòng)力形式、飛行速度、布局（樣貌）、飛行方式等角度分類。以飛行方式為例，飛機(jī)可被分為機(jī)翼固定的固定翼飛機(jī)和含有一個(gè)或多個(gè)旋翼的旋翼飛機(jī)。我們?nèi)粘３鲂谐俗目蜋C(jī)就屬于固定翼飛機(jī)，它是最早誕生的飛機(jī)種類，也是應(yīng)用最廣泛的一類。而直升機(jī)和小型無人機(jī)都屬于旋翼飛機(jī)。

從輕至幾百克的旋翼無人機(jī)，到重達(dá)幾百噸的固定翼飛機(jī)，它們是如何飛上天的？讓我們從空氣動(dòng)力學(xué)角度來解讀。

飛機(jī)如魚 空氣似水

飛機(jī)能夠在空中平穩(wěn)飛行，必須保持受力平衡，即升力＝重力、推力＝阻力（在沒有傾斜的情況下），如下圖所示。

升力是托舉飛機(jī)離開地面并維持其在空中飛行的向上的力。無論是旋翼飛機(jī)還是固定翼飛機(jī)，都沒有能提供直接向上的力的部件。那么這個(gè)升力是如何產(chǎn)生的呢？

伯努利原理將飛機(jī)穩(wěn)穩(wěn)“托起”?

由于翼型（機(jī)翼的剖面形狀）的特殊設(shè)計(jì)，當(dāng)空氣流過機(jī)翼時(shí)，會(huì)使得機(jī)翼上表面空氣“跑”得快，壓強(qiáng)變小；而機(jī)翼下表面空氣“跑”得慢，壓強(qiáng)變大。因此，根據(jù)伯努利原理，機(jī)翼下表面的壓力總是大于上表面，從而產(chǎn)生向上的升力，將飛機(jī)“托起”。

空氣動(dòng)力學(xué)孕育出翼尖之美

若將旋翼無人機(jī)機(jī)臂末端的旋翼切開，其剖面呈現(xiàn)的優(yōu)美的流線型，仿佛一條不對(duì)稱的魚。無論是固定翼飛機(jī)還是旋翼飛機(jī)，其升力大小均和翼型有很大關(guān)系。設(shè)計(jì)師們需要仔細(xì)設(shè)計(jì)翼型的每一個(gè)細(xì)節(jié)，如頭部的曲率，上凸的弧度，上下的厚度等等。

放大看旋翼無人機(jī)機(jī)臂末端的旋翼，我們可以看到螺旋槳葉片具有近乎完美的彎曲外形，這其中可藏著大智慧。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，彎曲的形狀進(jìn)一步加快了機(jī)翼上表面空氣的運(yùn)動(dòng)，就好比兩個(gè)人賽跑，機(jī)翼上方的人要繞更遠(yuǎn)的路，但要求必須同時(shí)到達(dá)。因此，根據(jù)伯努利原理，無人機(jī)旋翼的升力會(huì)進(jìn)一步變大。

螺旋槳葉片的設(shè)計(jì)不僅僅應(yīng)用于旋翼無人機(jī)，在大型旋翼飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、風(fēng)力發(fā)電的葉片等設(shè)計(jì)上也都有所體現(xiàn)。

空氣動(dòng)力學(xué)孕育的科學(xué)設(shè)計(jì)之美還體現(xiàn)在飛機(jī)的其他部位。例如，客機(jī)的翼梢小翼可以減少翼梢繞流，從而減少誘導(dǎo)阻力，大大節(jié)省燃油損耗；戰(zhàn)斗機(jī)的邊條翼設(shè)計(jì)，利用渦升力保障戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)現(xiàn)“眼鏡蛇”機(jī)動(dòng)；仿蜻蜓翅膀表面在凸起的葉片表面采用納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可提升飛機(jī)在雨天的飛行效率；仿蝴蝶鱗片的機(jī)身微溝槽涂層設(shè)計(jì)，能減小飛機(jī)巡航時(shí)的阻力。

除形態(tài)外，結(jié)構(gòu)、色彩也被融入飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，這些不起眼的小巧思中隱藏著飛機(jī)“性格”以及“能力”謎題。這也啟迪我們，科學(xué)設(shè)計(jì)絕不僅僅涉及技術(shù)本身，它更是設(shè)計(jì)與自然之美的融合，也許最美的設(shè)計(jì)早已寫在了鷹的翅膀、魚的軀干和蒲公英的種子里……

（責(zé)任編輯 / 王佳璇" 美術(shù)編輯 / 周游）