普林斯顿大学的工程师们从鸟类羽毛中获得灵感，发现在遥控飞机的机翼上增加几排襟翼可以提高飞行性能，并有助于防止失速，这种情况会危及飞机的飞行能力。

“这些襟翼既可以帮助飞机避免失速，也可以在失速发生时更容易重新获得控制，”机械和航空航天工程助理教授、该研究的首席研究员艾米·维萨（amy Wissa）说。该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

这些襟翼模仿了一组被称为隐蔽羽毛的羽毛，当鸟类进行某些空中动作时，比如在阵风中着陆或飞行时，这些羽毛就会展开。生物学家已经观察到这些羽毛何时以及如何展开，但没有研究量化鸟类飞行过程中隐蔽羽毛的空气动力学作用。工程研究已经研究了隐蔽的襟翼，以提高工程机翼的性能，但大多忽略了鸟类有多排隐蔽的羽毛。普林斯顿大学的研究小组通过展示一组襟翼是如何协同工作的，以及探索控制这种相互作用的复杂物理原理，推动了这项技术的发展。

Girguis Sedky，博士后研究员和论文的主要作者，称这项技术是“一种简单而经济的方法，可以在不需要额外动力的情况下大幅提高飞行性能。”

隐蔽的襟翼根据气流的变化展开或翻转，不需要外部控制机制。它们提供了一种廉价和轻便的方法来提高飞行性能，而不需要复杂的机械。“它们本质上只是灵活的襟翼，如果设计和放置得当，可以极大地提高飞机的性能和稳定性，”Wissa说。

机翼的泪滴形状迫使空气快速流过其顶部，形成一个低气压区，将飞机拉起。与此同时，空气推动着机翼底部，增加了向上的压力。设计师把这种拉和推的结合称为“升力”。飞行条件的变化或飞机速度的下降都会导致失速，迅速降低升力。

Wissa的团队在普林斯顿大学Forrestal校区的风洞中设计了一系列实验，以了解模仿羽毛的襟翼如何影响飞行性能，特别是在接近失速时，这通常发生在飞机处于陡峭角度时，这时隐蔽的羽毛被观察到展开。该隧道使研究小组能够检查不同的襟翼安排对机翼周围气压、机翼上的风速和影响性能的漩涡等变量的影响方式。

该团队将受隐蔽启发的襟翼连接到3d打印模型飞机机翼上，并将其安装在风洞中，风洞是一个30英尺高的金属装置，用于模拟和测量空气流动。塞德基说：“风洞实验为我们提供了空气如何与机翼和襟翼相互作用的精确测量，我们可以从物理学的角度看到实际发生了什么。”

风洞配备了传感器，可以读取机翼感受到的力，还配备了激光和高速摄像机，可以精确测量机翼周围空气的流动情况。

这项研究揭示了襟翼提高升力的物理原理，并确定了襟翼控制机翼周围空气流动的两种方式。其中一种控制机制以前没有被确定。研究人员在测试靠近机翼前部的单个襟翼的效果时，发现了这种被称为剪切层相互作用的新机制。他们发现，另一种机制只有在襟翼位于机翼后部时才有效。

研究人员测试了单襟翼和多襟翼的配置，从两排到五排不等。他们发现，五排结构提高了45%的升力，减少了30%的阻力，提高了整体机翼的稳定性。

维萨说：“这种新机制的发现解开了一个秘密，为什么鸟类的翅膀前面有这些羽毛，以及我们如何将这些襟翼用于飞机。”“特别是因为我们发现，机翼前部的襟翼越多，性能就越好。”

根据风洞实验的结果，研究小组走出实验室，进入现场，在一个比例模型飞机上测试隐蔽的襟翼。普林斯顿的福雷斯特尔校园曾经是一个机场，现在仍然有一个直升机停机坪。因此，研究人员与研究无人机飞行的机械和航空航天工程研究生纳撒尼尔·西蒙（Nathaniel Simon）合作，通过为无线电控制（RC）飞机配备隐蔽的襟翼，在现实条件下展示了这项技术。

研究人员与萨默塞特RC模型飞机俱乐部的成员一起选择了一架模型飞机。研究人员随后修改了飞机机身，为其配备了机载飞行计算机，西蒙利用他驾驶无人机的经验来驾驶它。他们给飞行计算机编程，让飞机自动反复失速。西蒙说，看到襟翼在飞行中展开，看到它们帮助延迟和减少失速强度，就像它们在风洞中所做的那样，真是太神奇了。他说：“能够在福雷斯特尔校区的共享空间里进行合作，并看到这个项目涉及了多少研究领域，这真是太酷了。”

Sedky说，除了提高飞行性能，他们的研究结果还可以扩展到其他应用中，在这些应用中，改变周围的流体将有利于性能。他说：“我们所发现的转换器如何改变机翼周围的气流，可以应用于其他流体和其他物体，使它们适用于汽车、水下航行器，甚至风力涡轮机。”

Wissa说，这项研究可以打开与生物学家合作的大门，以了解更多关于隐蔽羽毛在鸟类飞行中的作用，这项研究的结果将有助于形成新的假设，可以在鸟类身上进行测试。“这就是生物灵感设计的力量，”她说。“将生物学的东西转移到工程学上，以改进我们的机械系统，同时也利用我们的工程工具来回答有关生物学的问题。”

这篇论文题为“分布式羽毛启发的流动控制减轻失速并扩大飞行包线”，发表在《美国国家科学院院刊》上。除了Wissa， Sedky和Simon，作者还包括Ahmed K. Othman和Hannah Wiswell，他们都是机械和航空航天工程的研究生。该项目的部分支持由美国国家科学基金会提供。