西工大团队在飞行器减阻方面取得突破性进展

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记者27日从西北工业大学获悉，该校空天微纳系统创新团队日前在飞行器减阻方面取得突破性进展。该团队通过模仿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性能极限。

仿沙垄舌形分形结构设计图。　西北工业大学供图

据介绍，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，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。如汉莎航空技术公司通过仿生“鲨鱼皮”研制出一款飞机“贴膜”，经试验应用于波音747-400飞机上，可有效降低飞行摩擦阻力。

库姆塔格沙漠沙垄形状特征。　西北工业大学供图

但仿生“鲨鱼皮”结构在实际应用中还存在着气动减阻率较低、风向鲁棒性较差等问题，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。

谈及为何选择沙漠作为仿生对象，何洋表示，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。

团队正在开展试验。　西北工业大学供图

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。

此外，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。

实验室已建成的微纳减阻测量风洞。　西北工业大学供图

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。”

“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。”苑伟政表示。(完)