跨介質(zhì)飛行器附著水層高效脫附技術(shù)是其技術(shù)鏈中最具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵一環(huán)。飛行器出水時，表面黏附水層會顯著增加出水阻力和負載。而且，由于水氣介質(zhì)密度驟變，脫附分離的表面附著水層與周圍高壓空氣在飛行器尾部低壓區(qū)混合，形成氣-水兩相混流尾羽流，如遇降雨或水線飛濺，極易影響飛行器力學平衡，造成失穩(wěn)。
自然界中，翠鳥等生物在漫長的進化過程中，具備了在雨中自由飛行、快速捕食及出水等功能（圖1）。早前，吉林大學任露泉院士團隊張成春教授已在界面領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊《Journal of Colloidand Interface Science》（影響因子為7.489）上發(fā)表了題為Non-wet kingfisher flying in the rain: The water-repellent mechanism of elastic feathers的論文，闡釋了翠鳥羽毛彈性如何影響其體表水的脫附行為。
近期，受飛行中的翠鳥不被潤濕且仍能變換任意飛行方向的啟示，張成春教授及鄭益華博士在《ACS Applied Materials& Interfaces》（界面領(lǐng)域TOP期刊，中科院一區(qū)，影響因子為8.456）上在線發(fā)表了題為Non-wet kingfisher flyingin the rain: The tumble of droplets on moving oriented anisotropic superhydrophobic substrate的論文。該研究從液滴動力學的角度，定量地揭示了方向性移動的各向異性超疏水界面上的動態(tài)去潤濕機理，為跨介質(zhì)飛行器高效脫附、提高出水性能奠定了仿生理論基礎(chǔ)。
該原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)屬于“雨中飛行的非潤濕翠鳥(non-wet kingfisher flying in the rain)”系列研究的進一步延續(xù)。在實驗室環(huán)境下，連續(xù)性液滴撞擊在移動狀態(tài)下的翠鳥體表后能產(chǎn)生與速度矢量方向相關(guān)的飛濺行為，期間翠鳥始終保持體表非浸潤狀態(tài)（圖2）。
基于液滴動力學分析結(jié)果表明，具有羽毛仿生結(jié)構(gòu)的移動界面可以誘導液滴的非對稱形貌（圖3），夾角直接影響液滴內(nèi)質(zhì)量的分布形式。
與靜止的傾斜超疏水表面相比，各向異性仿生表面的定向運動促進了液滴的翻滾，并減少了高達23%的滯空時間（圖4（a））?；诟褡硬柶澛惴ǖ臄?shù)值模擬結(jié)果表明，移動表面上液滴產(chǎn)生定向彈跳的根本原因是液滴在后退階段去“釘扎”矢量發(fā)生了單側(cè)方向性突變，且該類突變的程度與夾角正相關(guān)，表面得以有效地避免了同一區(qū)域的連續(xù)性潤濕（圖4（b））。因此，在雨中飛行的翠鳥體表上存在不同程度的液滴定向飛濺現(xiàn)象，且能維持體表非浸潤功能。
在室內(nèi)定量模擬降水試驗系統(tǒng)中，多液滴連續(xù)沖擊飛行器超疏水表面后同樣會發(fā)生次級液滴群發(fā)生定向翻滾、彈跳現(xiàn)象（圖5），其降水沖擊荷載降低87.5%，超疏水表面飛行器幾乎不受降水的負面影響。
數(shù)值模擬結(jié)果進一步證實，在具有超疏水表面的跨介質(zhì)飛行器模型上，運動可誘導類似的液滴群定向彈離行為。如圖6所示，通過追蹤9個液滴內(nèi)部199個粒的跡線表明，具有超疏水表面的飛行器運動行為可誘導多液滴定向（向后）彈跳，彈跳方向與飛行器運動方向相反，這使得固液分離進程加快，液滴在沖擊移動超疏水表面后的跡線呈拋物線狀并產(chǎn)生規(guī)律性定向彈跳，而表面曲率的差異化導致液滴的彈跳方向呈現(xiàn)多樣化。
超疏水表面對液滴粘附效應(yīng)極低，高動能次級液滴群在飛行器表面上發(fā)生向后定向運動行為，使得次級液滴群（尾羽流）的重心整體向后偏移，與親水表面相比，運動中飛行器的超疏水表面上的次級液滴群可持續(xù)保持高動能，維持定向彈跳能力，并以此有效避免同區(qū)域反復(fù)潤濕（見圖7右梯形區(qū)域），此種次級液滴群的定向運動行為與圖4中的試驗結(jié)果相似。
利用移動各向異性超疏水表面誘導液滴定向翻滾促使水體從移動中的表面上剝離，對突破跨介質(zhì)飛行器在飛行及出水時表面附著水、尾羽流等引起的一系列技術(shù)難題，具有極其重要的現(xiàn)實意義。
該課題得到了國家自然科學基金面上項目、軍委科技委主題項目、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助和支持。該論文第一作者為鄭益華博士，通訊作者為張成春教授。
通訊作者簡介：張成春，工學博士，教授，博士研究生導師，清華大學與鄭州宇通客車股份有限公司企業(yè)聯(lián)合博士后，英國帝國理工學院訪問學者，國際仿生學會創(chuàng)始會員，中國農(nóng)業(yè)機械學會材料與制造分會委員。主要從事?？昭b備仿生基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究，主持包括國家自然科學基金4項、國家重點研發(fā)計劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵問題”項目課題1項、工信部“民機科研”項目專題1項、軍委科技委主題項目1項在內(nèi)的各類科研項目10余項，以第一作者或通訊作者在ACS. APPL. MATER. INTER、J. COLLOID INTERF. SCI.、INT. J. THERM. SCI.、J. SOUND VIB.、SOFTMATTER、INT. J. HEAT FLUID FL.、J. BIONICENG. 等期刊發(fā)表SCI/EI檢索論文40余篇，獲得授權(quán)國家發(fā)明專利16件。
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