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泪滴形的机翼才是最快的机翼

时间: 2019年06月04日 | 作者: Rachel Crowell | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
无论在扑翼飞行还是水中模拟时,泪滴形的翅翼都赋予飞行器最快的速度。


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如果机翼形态不够理想,可能会在前翼造成旋涡(用红色表示),并且与后翼造成的旋涡相互叠加(用绿色表示)。


撰文 | 蕾切尔·科韦尔(Rachel Crowell)

翻译 | 罗广桢 


长期以来,人类都是从鸟的翅膀获取灵感,设计飞行器的机翼。如今,一支由数学家组成的团队把仿生学推到了新的高度。研究人员先用3D打印机打印出大量翼形,再在实验室中对比它们的性能,将数据输入专门用来模拟和演绎的算法中,推演出效率更高的机翼。最终,他们发现无论在扑翼飞行还是水中模拟时,泪滴形的翅翼都赋予飞行器最快的速度。


这还是首次利用综合手段找寻适合快速飞行的机翼,纽约大学的数学家雷夫·里斯特罗夫(Leif Ristroph)说,他也是这项研究的负责人。


里斯特罗夫认为,以下几方面的特点,让泪滴形机翼在众多候选者中脱颖而出。首先,从侧面观察时,它的前后比例是非对称的;其次,泪滴形前端是典型的圆面;最后,它的前置点最厚尾部最细长。泪滴形如剃刀一般纤薄的后缘与鸟翼很相似,几乎和一根羽毛的厚度差不多。相关研究发表在今年1月的《皇家学会会刊A》上。研究者还认为,这一发现表明鸟的羽毛已经演化到了尽可能纤薄的程度。


里斯特罗夫和同事用3D打印技术制作了10种“初代”塑料机翼。他们将各个翅膀与电动水平杆相连,从而在水中上下扇动。在监测了这些机翼的游动速度后,研究人员还进一步推测了相关的飞行速度。


里斯特罗夫说,他们测试了各种各样的形状,甚至包括基于传统飞机机翼、扁平球体和花生壳的形状。


研究人员将这些机翼的速度数据输入模拟演绎算法后,得到了共8种“子代”机翼。虽然更快的机翼形状更有可能传递给下一代,但是算法还是允许产生新形状的“突变”存在。两种表现最好的初代翼形也特意被添加到第2代中。第2代的10种机翼也同样重复了3D打印和实验室测试的流程。


当研究人员创造出15代机翼后,最快的机翼(泪滴形机翼)在第11代中出现后,一直都没消失。算法尝试在随后几代继续优化这种形状,却产生了几种太过纤细以至于无法用3D打印的翼形。


这项研究“非常有趣,”南加利福尼亚大学航天工程师杰弗里·斯佩丁(Geoffrey Spedding, 并未参与这项研究)说。他注意到,最佳的机翼“非常像鱼鳍”,这使它更适合游动,或是向前推进,而不是像固定翼一样产生升力。