丁阳（中）和团队成员付蓉（左）、李思雨在讨论。受访者供图

■本报记者 陈彬

在人们的常识中，螺旋桨作为船舶、潜水艇等设备的主要动力来源，不但可以为航行器提供前进的动能，而且其旋转的方向直接影响着航行器的前进方向——螺旋桨正转，船体向前；螺旋桨倒转，则会带动航行器向后运动。

但有没有一种可能，螺旋桨无论是正转还是倒转，航行器都会向后运动？

不久前，美国《国家科学院院刊》（PNAS）刊登了一项来自北京邮电大学物理科学与技术学院教授丁阳团队的研究成果。该团队首次发现在清水中能借助螺旋桨正常运动的微型潜艇，在硅油中却始终向后运动的现象，并通过分析解释了该现象出现的原因。

“我们将这个有趣的现象称为‘推进力反转’。”接受《中国科学报》采访时，丁阳表示，除了“有趣”之外，该现象的发现对于微型机器人等技术的研究也有着重要意义。

“失灵”的螺旋桨

很多重要的科学进展起因都是一次偶然的发现，这项研究便是如此。

“最初发现这一现象时，我们正在做一项关于水中机器人集群的实验。”丁阳团队成员、北京计算科学研究中心博士生付蓉说，这项实验需要将多个潜水艇模型随机放置到水池的不同位置，通过发送控制信号产生不同的集群行为。但由于水的阻力较小，潜艇游速过快。为了增加液体阻力，付蓉便将水换成更黏稠的硅油。

“问题”就在此时发生了——几个被放入硅油中的潜水艇模型开始“不听使唤”，不管付蓉如何调整螺旋桨的旋转方向，它们都不会向前行驶，反而纷纷“后退”。

这一螺旋桨“失灵”现象引起了丁阳团队的兴趣。

“在科学领域，有一个用来表述运动物体和流体之间关系的概念——雷诺数。简单来说，它等于运动物体受到的惯性力除以其受到的黏性力。”付蓉解释说，惯性力与黏性力决定着物体在流体中的运动状态。比如，在水中行驶的货船由于质量庞大，其惯性力也很大，水所能提供的黏性力则相对很小，所以货船的状态便是高雷诺数；而当幽门螺旋杆菌、大肠杆菌等细菌游动时，由于其尺寸极小，惯性力自然也很小，但周围流体施加的黏性阻力则相对较大，这就属于低雷诺数。

但无论在上述哪种情况下，都不会出现“推进力反转”现象。

不过丁阳团队发现，硅油中的潜艇模型并不属于上述两种情况，它属于第三种情况——中雷诺数，即潜艇模型的惯性力与硅油的黏性力之间差距并不大，而是处在相对“中等”的比值范围内。

是不是这个“比值”搞的鬼呢？

被“甩”出去的液体

在中雷诺数下，潜艇模型的螺旋桨与硅油之间的相互作用成为相关研究的突破口。

“我们用计算机进行了三维数值模拟，从力场与流场两个维度分析了螺旋桨叶片与其所处流体（硅油）是否会有一些与众不同的相互作用。”丁阳团队成员、北京师范大学博士生李思雨说，他们发现带有倾斜角度的螺旋桨叶片与硅油相遇时，会产生两种互相“较劲儿”的效应——“离心吸入效应”与“后向流体加速效应”。

这其中，前者源于螺旋桨带动硅油转动形成的类似龙卷风的旋涡，其离心力会在螺旋桨附近形成负压区，并将尾部硅油向前吸，这些被吸的硅油会产生一股向后吸引螺旋桨和潜艇的反作用力；后者则是硅油被螺旋桨撞击形成的向后的射流，产生使模型向前运动的推动力。

在中雷诺数下，潜艇承受的向后吸力要大于向前的推动力，因此便发生后退。

“说得再通俗一些，通常情况下，螺旋桨的转动会持续将液体向后推，其反作用力便推动潜艇向前移动。”丁阳说，但当雷诺数处于某个区间时，螺旋桨并不会将液体向后推，而是将大部分液体“甩”向侧面，造成的低压区只能由后方的液体向前运动进行补充，进而产生了一股向后的反作用力。

“由于螺旋桨将液体‘甩’向侧面的动作不会受其正转或是反转的影响，因此无论人们如何操作螺旋桨，潜艇模型都只会向后运动。”丁阳说。

激动人心的事情

据介绍，该成果挑战了既往基于高雷诺数或低雷诺数建立的螺旋桨或螺旋形推进系统的流体动力学理论，证明了中雷诺数是一个有别于上述两种情况、有独特性的流体区间。

那么，这个独立流体区间的数值大致范围是多少？

“目前我们大致测算出的区间上下界限是雷诺数为50至180和1至3，具体数值受一些系统参数的影响，比如螺旋桨形状、螺旋桨距离船体远近，以及其与船体的比例等。”丁阳说。

需要注意的是，由于雷诺数只是一个比值，因此从理论上说，任何在液体中运动的物体都有可能发生“推进力反转”现象，且物体质量越小，产生这一现象所需的液体黏性力也越小。

“这意味着，当我们将几厘米长的潜艇模型等比例缩小到毫米级的体量时，某些比硅油黏度小得多的液体都可能导致‘推进力反转’现象。”付蓉说，“比如血液、水等。”

“搞清楚这些原理，有助于我们解决实际问题。”丁阳表示，特别是伴随着机器人技术的持续推进，我们完全可以想象，未来人体血管里会有螺旋桨推进的治疗机器人在游动，而一旦这种场景成真，目前仅仅是“有趣”的“推进力反转”现象，就会变成一个必须要严肃应对的重要问题。

除此之外，未来微型航行器，如微型机器人的应用前景还很广，例如清除或收集水中的微塑料、重金属，或者对狭窄的生活或工业管道探伤与修复等，而这些设备一旦采用螺旋桨作为推进方式，都可能面临同样的问题。

丁阳告诉《中国科学报》，如果期望螺旋桨克服“推进力反转”现象，该研究中的一些关键影响因素和机制有望提供依据，比如增加螺旋桨与机器人身体的距离、改变螺旋桨形状等。至于如何才能让螺旋桨在中雷诺数下高效地产生推进力，还需要更多研究。

除了能为微型航行器的实用化提供助力外，丁阳还希望未来可以完整、细致地描绘出螺旋桨在中雷诺数场景中的流体动力学特征，甚至产生贯穿整个高、中、低雷诺数场景的推进理论。“那将是一件激动人心的事情。”丁阳说道。

相关论文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2504153122