从沙漠里找到答案——这项减阻技术突破半个世纪极限

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本文转自：人民网-陕西频道

日前，西北工业大学空天微纳系统创新团队在飞行器减阻方面取得突破性进展。该团队通过模仿我国库姆塔格沙漠特有的舌状分形沙垄结构，设计出仿沙垄舌形多层分形减阻微纳结构。该结构减阻率较之前国际报道的最好水平提高了52%，减阻风向摄动角度从35°增加到了60°，减阻性能已突破半世纪以来小肋气动减阻技术的性能极限。

图1 仿沙垄舌形分形结构贴膜与结构显示图

减阻是航空航天领域长期关注的焦点，不仅影响着飞行器气动外形设计与布局优化，在能源价格飙升的当下，更对飞行器节能减排、降低运行成本有着重要的应用价值。

近年来，区别于通过改变飞机气动布局实现减阻的传统手段，国内外相关领域专家针对改变飞机表面微观结构实现减阻开展了深入研究，但实际应用中气动减阻率较低、风向鲁棒性较差等问题一直难以解决，即在风向发生变化时很难继续保持原有的气动减阻性能。为此空天微纳系统教育部重点实验室主任苑伟政教授与何洋教授团队在国家自然科学基金重点项目支持下，经过长期比对分析，基于相似准则提取条件特征,最终在茫茫沙漠找到了解决方案。

“沙粒在风的搬运堆积下自然形成沙垄，并在沙垄表面形成了具有一定起伏规律的微地貌结构。而自然界遵循最小阻力原则，即所有的物质都会沿着最小阻力路径运动。这说明风在通过这些微地貌结构形成的路径中时能量损失最小，也就意味着这种沙垄结构表面对风的阻力最小。”何洋教授解释到。

图2 团队正在开展试验

此后5年，团队多次前往新疆、甘肃、内蒙的沙漠地形开展实地考察，分析沙丘形态、沙垄结构、沙粒特征等，掌握了大量第一手数据，最终选定库姆塔格沙漠作为研究对象。

图3 库姆塔格沙漠沙垄形状特征

库姆塔格沙漠横卧于阿尔金山与罗布泊之间，受独特地形影响，8级以上大风天数占全年近三分之一，且来风方向并不固定，因此其沙垄表面形成了世界独有的“舌形分形结构”。这种特殊的风向条件和不同寻常的结构赋予了团队研究灵感，“格物致知、师法自然，这或许就是大自然给出的降低风阻的‘最优解’。”空天微纳系统教育部重点实验室主任、团队负责人苑伟政教授介绍。

但知道了仿生对象是什么到做出和仿生对象神似的微纳结构，这之间的差距宛若鸿沟。

研究团队基于无量纲粘性长度的缩放，经建模及模拟验证设计出了仿沙垄分形微纳结构。针对现有的微纳结构加工方式灵活度低、难以实现复杂构型加工的问题，团队在前期掌握了MEMS（微机电系统）芯片制造技术优势的基础上，创造性地提出基于多重掩模的三重光刻方法，有效提升加工精度与效率，实现了多层高深异构复合微结构的精确制造。

图4 仿沙垄舌形分形结构设计图

结构制造成功，但如何精确测量出结构表面极小量级摩擦力以验证减阻性能，又成为团队面临的新问题。团队自主研发、设计搭建了国际首座高分辨力微纳减阻测量风洞，为微纳结构流动测量提供有效手段，该系统总剪切力分辨力精确至 2.5×10-6N，与人的呼吸气流作用在一张名片表面的气动摩擦力大小相当，为公开报道国际风洞剪切力测量的最好结果。

图5 实验室已建成的微纳减阻测量风洞

经多轮试验与结构优化，最终翼型叶栅空气动力学国家级重点实验室出具检测报告表明：“仿沙垄减阻微纳结构蒙皮具有显著的减阻效果，超过已知公开报道的最高水平。”团队承担的国家自然科学基金重点项目——“仿沙垄气动减阻分形微纳结构及其制造技术”也以“优秀”结题，评议专家高度评价该项目为，“研究工作取得突出结果，建议拓展工程应用。”

图6 团队负责人苑伟政教授（右二）指导团队开展科研

“下一步，我们希望通过科技成果转化，让科研成果在大飞机、高铁、风力发电等多个领域投入使用，为节能减排、助力实现‘双碳’目标提供新的解决方案。”对于未来的发展前景，苑伟政教授充满信心。（李志强 付怡 西北工业大学供图）