绿色飞行:伊兰·克鲁助力塑造可持续航空的未来

一位 1974 年西屋科学奖决赛入围者小时候制作滑翔机,现在他设计更高效的飞机


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他的决赛入围年份: 1974

他的决赛项目:设计一个使用磁铁将测试模型固定到位的风洞

项目缘起:伊兰·克鲁在 20 世纪 60 年代在俄勒冈州乡村长大,从小就对飞行着迷。他和朋友们用竹竿、胶带和塑料制作了一架滑翔机。他们把这件装置带到附近的一个奶牛场,从山上跑下来,真的能离地几英尺,然后坠毁。“任何我们能走着离开的着陆都是一次好的着陆,”克鲁说。

幸运的是,他从那次学习经历中幸存下来,并在高中时,在波特兰的俄勒冈科学与工业博物馆的研究项目的帮助下,决定建造一个更好的风洞,以帮助他了解其他飞行物体的空气动力学。风洞的一个大问题是,被测物体需要一个支撑结构才能在空气冲击周围时保持在原位。但是,这些约束会影响气流,从而扭曲数据。

为了解决这个问题,克鲁建造了一个风洞,其顶部和底部都衬有磁铁。一个光电传感器监控测试物体,并发送信号来改变磁场强度,以便它们而不是支撑结构可以将物体保持在静止位置。“我学到了很多关于电路以及风洞和磁铁的知识,”克鲁说。这个概念还为他赢得了一次真正的飞机飞行——前往华盛顿特区参加 1974 年西屋科学人才搜索决赛的旅行。

对职业生涯的影响:在著名的科学竞赛中取得如此优异的成绩,鼓励克鲁提高他的目标,并“使我有可能去斯坦福这样的地方”,他在那里注册成为物理学专业的学生。他爱上了加利福尼亚,因此留在大学攻读航空学博士学位。他的论文研究了作用在滑翔机上的力——惯性、阻力、升力、物体自身的弹性——如何相互作用。他说,在 20 世纪 70 年代后期,玩滑翔机“不是一件很安全的事情”。他研究了结构和空气动力学之间的相互作用,进行了风洞测试,并与许多滑翔机公司合作实施研究结果。

获得博士学位后,克鲁在加利福尼亚州莫菲特菲尔德的 NASA 艾姆斯研究中心找到了一份工作。在 20 世纪 80 年代初燃料价格飞涨的情况下,他研究了当时迫切需要的更高效的飞机的想法,当然,他表示,随着燃料价格下跌,其中一些兴趣“消失了”。

他现在在做什么:尽管公众对高效飞机的兴趣随着石油价格的波动而起伏不定,但克鲁一直致力于解决这个问题。现在,作为斯坦福大学的教授,他的主要研究领域之一是“可持续航空”——也就是说,“制造环境足迹足够小的飞机,以便我们能够在适应航空运输预期增长的同时,不增加对环境的影响,”他说。



目标是什么?将商用飞机的效率提高 50%。这不是一个随机数字;斯坦福大学航空学系的教授 胡安·阿隆索指出,预计到 2025 年,美国的航空运输量将翻一番。“如果你飞两倍的量,你就必须消耗一半的量,”他说,以避免额外的环境破坏。典型的设计修改,例如稍有不同的机翼形状的更轻材料,可以产生 2% 到 5% 的节能效果。另一方面,减少 50% 将需要完全不同的设计,并优化所有不同的飞机组件。阿隆索说,克鲁对该领域的主要贡献是“多学科设计优化”。“他是最早意识到这可以做到并且需要做到的人之一。”

更重要的是,他确实做到了。波音公司高级研究员、Liebeck 翼型(一种以高升阻比而闻名的机翼或叶片形状)的设计师 罗伯特·利贝克说,他开发出的优化技术(例如,帮助工程师最大限度地降低成本或排放的方法)一直被工业界使用。“许多学者最终都在回答一个没人问的问题,”利贝克说。“伊兰恰恰相反。”他说,他的工作非常实用。

除了可持续航空和优化之外,克鲁还致力于“自主飞机”(无人驾驶飞机),使超音速航空旅行成为一种可行的选择,以及一种被称为“脚踏式滑翔机”的飞行器。这种个人飞行器具有滑翔机的某些特性,但性能类似于滑翔机;它可以飞行更远的距离,也更安全。

大约 20 年前,他与一些学生一起设计了这种飞行器,并最终将其商业化。如今,这种被称为 SWIFT 的飞机正由比利时公司 Aériane 制造。“看到它从一张白纸变成许多这些东西在空中飞翔,真的很有趣,”他说。(他还指导了一位 1987 年西屋科学奖决赛入围者 伊恩·帕特里克·索别斯基。)

克鲁有三个孩子,他不想看到他们像他小时候那样在奶牛场坠毁,所以他不再怎么玩滑翔机了。但是,他驾驶过 SWIFT。他会如何描述它? “我可能无法恰如其分地描述它,”他说。但是,“以鸟的速度飞行……完全安静,向下看,看到 8,000 英尺下方的山脉和沙漠地面,这与任何其他类型的飞行都不同,”他说。“这绝对令人惊叹。”

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