我國科學家首次發現“推進力反轉”現象

近日，北京郵電大學丁陽教授及團隊在《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表重磅成果，首次發現螺旋槳推進系統的“推進力反轉”現象——特定場景下，無論螺旋槳正轉、反轉，物體均會後退。該發現突破傳統推進流體動力學認知，為螺旋槳推進在醫療、環保等微型機器人實際應用中即將面臨的困境提出預警及可能的解決方案，相關論文已於北京時間10月3日上線。

相關論文截圖

日常中，螺旋槳是推進系統的“主力軍”，萬噸巨輪航行、直升機翱翔均依賴其提供向前動力。但丁陽團隊的實驗呈現了一個“反常場景”，他們將一艘長度為7.5釐米的微型潛艇模型分別放入清水與硅油，清水中潛艇螺旋槳正轉前進、反轉後退，符合預期；但放入粘稠度約為水100倍的硅油後，螺旋槳無論怎麼轉，潛艇都只退不進，宛如被無形力量“拖拽”。

“這種‘螺旋槳正轉、潛艇逆行’的現象，我們稱之為‘推進力反轉’。”團隊成員解釋，這個看似“失靈”的現象，恰恰揭開了科學界尚未關注的領域——中等雷諾數（Re）流體環境下，螺旋槳推進的獨特規律。

雷諾數是衡量物體在流體中運動的“標尺”，船舶、飛機等大型物體在水或空氣中運動時，慣性力佔主導，屬於高雷諾數範疇；大腸桿菌、幽門螺旋桿菌等微生物，在血液或水中游動時，粘性力佔主導，屬於低雷諾數範疇。而未來可能在人體血管工作的微型機器人、工業管道探測的微型航行器，尺寸介於兩者之間，運動時慣性力與粘性力均有影響，正屬中等雷諾數環境。此前，高、低雷諾數螺旋槳推進規律已有成熟理論，中等雷諾數領域卻一直是“盲區”。

為什麼在中等雷諾數環境下，螺旋槳會“反向出力”？團隊通過三維計算機模擬，從力場和流場兩個維度，找到了背後的“隱身推手”。

據介紹，當螺旋槳在硅油中旋轉時，會同時產生兩股方向相反的“力量”。一方面是“離心吸入效應”，旋轉的螺旋槳會帶動硅油形成類似龍捲風的漩渦，在螺旋槳附近形成負壓區。這個負壓區就像一個“吸塵器”，不斷把螺旋槳尾部的硅油往前吸，而被吸的硅油會產生反作用力，將潛艇向後“拽”——這是導致潛艇後退的關鍵力量。另一方面是“後向流體加速效應”，螺旋槳葉片有傾斜角度，旋轉時會撞擊硅油，形成一股向後噴射的水流，產生沿螺旋槳軸向前的推力，這和普通船隻前進的原理相同。

實驗裝備

在中等雷諾數環境下，“離心吸入效應”產生的向後拉力，遠遠超過了“後向流體加速效應”產生的向前推力，就像一場“拔河賽”，向後的力量完勝，最終導致潛艇“反向運動”。而在高雷諾數或低雷諾數環境下，向前的推力始終佔優，也就不會出現這種“反常”。

“現在我們搞清楚了‘推進力反轉’的原理，就能針對性地解決問題。”丁陽舉例，未來設計血管中的醫療機器人時，可以通過增加螺旋槳與機身的距離、優化螺旋槳形狀等方式，避免“反向出力”，讓機器人按預期方向精準移動。

下一步，團隊計劃完善中等雷諾數情況下螺旋槳推進的流體動力學理論，期望能銜接高、低雷諾數的螺旋槳推進理論體系。“我們希望能與微型機器人等相關學科聯合研究，為微型航行器等系統的切實應用給予助力。”丁陽表示。

原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2504153122