我国科学家首次发现“推进力反转”现象

近日，北京邮电大学丁阳教授及团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表重磅成果，首次发现螺旋桨推进系统的“推进力反转”现象——特定场景下，无论螺旋桨正转、反转，物体均会后退。该发现突破传统推进流体动力学认知，为螺旋桨推进在医疗、环保等微型机器人实际应用中即将面临的困境提出预警及可能的解决方案，相关论文已于北京时间10月3日上线。

相关论文截图

日常中，螺旋桨是推进系统的“主力军”，万吨巨轮航行、直升机翱翔均依赖其提供向前动力。但丁阳团队的实验呈现了一个“反常场景”，他们将一艘长度为7.5厘米的微型潜艇模型分别放入清水与硅油，清水中潜艇螺旋桨正转前进、反转后退，符合预期；但放入粘稠度约为水100倍的硅油后，螺旋桨无论怎么转，潜艇都只退不进，宛如被无形力量“拖拽”。

“这种‘螺旋桨正转、潜艇逆行’的现象，我们称之为‘推进力反转’。”团队成员解释，这个看似“失灵”的现象，恰恰揭开了科学界尚未关注的领域——中等雷诺数（Re）流体环境下，螺旋桨推进的独特规律。

雷诺数是衡量物体在流体中运动的“标尺”，船舶、飞机等大型物体在水或空气中运动时，惯性力占主导，属于高雷诺数范畴；大肠杆菌、幽门螺旋杆菌等微生物，在血液或水中游动时，粘性力占主导，属于低雷诺数范畴。而未来可能在人体血管工作的微型机器人、工业管道探测的微型航行器，尺寸介于两者之间，运动时惯性力与粘性力均有影响，正属中等雷诺数环境。此前，高、低雷诺数螺旋桨推进规律已有成熟理论，中等雷诺数领域却一直是“盲区”。

为什么在中等雷诺数环境下，螺旋桨会“反向出力”？团队通过三维计算机模拟，从力场和流场两个维度，找到了背后的“隐身推手”。

据介绍，当螺旋桨在硅油中旋转时，会同时产生两股方向相反的“力量”。一方面是“离心吸入效应”，旋转的螺旋桨会带动硅油形成类似龙卷风的漩涡，在螺旋桨附近形成负压区。这个负压区就像一个“吸尘器”，不断把螺旋桨尾部的硅油往前吸，而被吸的硅油会产生反作用力，将潜艇向后“拽”——这是导致潜艇后退的关键力量。另一方面是“后向流体加速效应”，螺旋桨叶片有倾斜角度，旋转时会撞击硅油，形成一股向后喷射的水流，产生沿螺旋桨轴向前的推力，这和普通船只前进的原理相同。

实验装备

在中等雷诺数环境下，“离心吸入效应”产生的向后拉力，远远超过了“后向流体加速效应”产生的向前推力，就像一场“拔河赛”，向后的力量完胜，最终导致潜艇“反向运动”。而在高雷诺数或低雷诺数环境下，向前的推力始终占优，也就不会出现这种“反常”。

“现在我们搞清楚了‘推进力反转’的原理，就能针对性地解决问题。”丁阳举例，未来设计血管中的医疗机器人时，可以通过增加螺旋桨与机身的距离、优化螺旋桨形状等方式，避免“反向出力”，让机器人按预期方向精准移动。

下一步，团队计划完善中等雷诺数情况下螺旋桨推进的流体动力学理论，期望能衔接高、低雷诺数的螺旋桨推进理论体系。“我们希望能与微型机器人等相关学科联合研究，为微型航行器等系统的切实应用给予助力。”丁阳表示。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2504153122