王中林院士/姚朝晖教授团队《自然·通讯》：数字化可视化飞行器翼面湍流失速传感，让飞行更安全

航空制造业被誉为“工业之花”，飞行器是人类有史以来最复杂最精密的大工业产品，是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志，同时，建设航空强国亦是新时代的伟大召唤。伴随国产航空制造业的历史性发展机遇，飞行器飞行参数传感领域迎来了黄金期，以满足各类新兴的功能型飞行器需求。在各类传感中，湍流失速传感，固定翼飞行器中必备但工艺难度极大的传感单元，在飞行安全中意义重大。由于翼面末端气流分离导致的空气动力学失速，在飞行器安全事故中占比最高。

文章概述

空气流场既可以为飞行器的飞行带来足够的升力，同时也会为飞行器的飞行带来摩擦阻力，压差阻力，干扰阻力与诱导阻力，更严重的是，还会由于复杂的湍流和气象风切变，影响飞行器的飞行安全，且大部分飞行流场均为复杂的湍流流场，因此研究飞行器特别是新兴无人机在湍流场中的飞行安全，对于飞行器安全稳定工作具有重大意义。

在现有商业化程度较高的失速传感方案中，风标攻角传感与压差传感仍存在着非直接原位监测，后端算法复杂的缺陷；同时较大的体积与质量使得其难以应用于新兴的多功能无人机领域。此外，用于观测翼面湍流程度的引线法，亦存在无数字化量化湍流失速的缺点。中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队，联合中国科学院大学姚朝晖教授团队，基于以上痛点，创新使用摩擦纳米发电与压电技术的耦合，开发出了一款自驱动轻质化原位监测翼面气流分离程度的新型失速传感系统（DATSS），该系统实现了对于失速监测的数字化，可视化与阵列化感知。同时，研究者还根据传感系统特征，自主研发了小型微处理系统对于传感数据进行无延时信号分析，实现了直接法原位对飞行器失速的发生进行预警与解除。DATSS系统在经过风洞测试，CFD计算流体力学模拟仿真，小型无人机测试论证后，目前已经完成了载人塞斯纳C172S飞行器的实飞测试，成功对于飞行器大攻角失速进行了预警与深度判断。未来，DATSS系统在国产飞行器失速传感解决方案中将扮演着更重要的角色。该成果以“Digital Mapping of Surface Turbulence Status and Aerodynamic Stall on Wings of a Flying Aircraft”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。中科院北京纳米能源与系统研究所许子颉博士后，曹南颖副研究员为论文共同第一作者。

图文导读

图1. 数字化可视化飞行器湍流失速传感系统（DATSS）原理与结构图。项目提出了一种基于摩擦电信号（T信号）与压电信号（P信号）耦合的失速预警监测系统。其传感过程可分为两个阶段，在第一阶段，摩擦电传感贴片在未失速状态下由于柯恩达效应、卷吸效应和颤振效应的共同作用而产生摩擦电信号；在第二阶段，摩擦电传感贴片在失速状态下由于气流分离的反向作用力而翻卷，摩擦电信号的频率逐渐降低并消失，告警失速的发生。进入深失速阶段，压电贴片通过压电信号反映失速深度。

图2. 丝素基摩擦电信号电极（CSFE）材料性能表征试验。a）CSFE材料的透光性能测试。b) CSFE材料红外光谱与丝素蛋白二级结构转变改性的示意图。c) CSFE在不同pH环境中的红外光谱。d) 高低温处理后CSFE材料的红外光谱。

图3. DATSS系统风洞实验。a)DATSS系统失速原始T信号。b) DATSS系统在STD处理后失速T信号。c) DATSS系统在峰值后处理下的失速T信号。d) DATSS系统失速原始P信号。e) DATSS系统在STD处理后的失速P信号。f)即将失速时T信号的变化。g) Prandtl-500循环风洞结构示意图。h) DATSS系统风洞可视化数字化失速传感实拍。

图4. DATSS无线信号传感模块的开发和测试。a) DATSS系统无线传输的T信号（STD算法处理：每100个实时数据点合成一个STD数据点），可以直观准确地显示失速过程。b) DATSS系统无线传输的P信号（STD处理），由于复杂高速湍流风场的影响，P信号与T信号相比具有滞后性。c) DATSS系统循环测试，插图为无线信号传输的工作原理。d) DATSS系统NACA0012翼面实拍。e) STM-32微控制器，其边长约为4.5厘米。

图5. DATSS系统的飞行测试和CFD仿真。a) 用于试飞的翼长为182毫米的固定翼遥控塞斯纳飞行器，配备两个DATSS阵列。b) 阵列DATSS系统的无线飞行信号。c) 攻角为18°时DATSS系统流固耦合CFD仿真。

结论

综上所述，本文聚焦飞行空气动力学中极为重要的失速传感作为研究对象，通过流体力学基础原理出发，利用湍流场监测失速预警（直接法），选用力学/化学性能可调节性强，耐用性共形性优异，电荷分离信号优异的丝素材料作为传感基材，设计制备完整精确自驱动固定翼飞行器数字化湍流失速传感系统，用于固定翼飞行器（特别是无人机领域）失速告警与改出。同时，本文深入分析了DATSS系统的工作原理，阐述了柯恩达效应、伯努利效应、卷吸效应和与颤振效应对于DATSS系统的力学作用，进一步结合模拟仿真，分析DATSS系统的准确度，空力动力学影响等。王中林院士团队将摩擦电/压电耦合技术用于湍流失速传感领域，是摩擦纳米发电机在航空航天领域的一次全新的尝试与技术突破。

封面来源于图虫创意