С начала авиации инженеры боролись с сопротивлением воздуха в основном за счёт формы самолёта. Исследователи Университета Колорадо в Боулдере предлагают другой путь: менять не контур, а материал под обшивкой. Специальные подповерхностные структуры создают микроскопические вибрации, которые гасят турбулентность у поверхности и снижают аэродинамическое сопротивление.
Работа пока основана на компьютерном моделировании, но концепция быстро выходит за рамки теории. По расчётам, такой подход может заметно сократить расход топлива коммерческих авиалайнеров и высокоскоростных летательных аппаратов.
Почему турбулентность «съедает» топливо
На скорости около 640 миль в час (примерно 1030 км/ч) воздух создаёт у поверхности самолёта турбулентный пограничный слой. Он действует как невидимый «якорь»: двигателям приходится тратить больше энергии, чтобы преодолеть дополнительное трение. На трансконтинентальном рейсе самолёт может сжечь свыше 10 тысяч галлонов топлива, поэтому даже небольшое снижение сопротивления даёт ощутимую экономию и сокращает выбросы.
По данным исследований, с 1979 года частота сильной турбулентности выросла примерно на 55% из-за изменения климата. Технологии, способные смягчать её влияние, становятся особенно актуальными.
Как работают фононные подповерхности
Ключевая идея — фононы, крошечные колебания, «запертые» внутри структуры материала. Профессор аэрокосмической инженерии Махмуд И. Хусейн (Mahmoud I. Hussein) развивает концепцию фононных подповерхностей (phononic subsurfaces, PSubs) уже около десяти лет.
Эти синтетические структуры под обшивкой поглощают энергию набегающего потока и слегка изгибаются, посылая обратно колебания в противофазе. Возникающая микроскопическая «рябь» пассивно сглаживает поток — без тяжёлых моторов и сложных подвижных частей.
Ранние прототипы работали только на одной узкой частоте и плохо справлялись с хаотичным спектром реальной турбулентности. В новых работах, опубликованных в Physical Review X и Proceedings of the Royal Society A, команда предложила два решения: суперрезонанс и интерференцию без рассеяния.
Суперрезонанс достигается за счёт свёрнутых (спиралевидных) подповерхностных структур, которые поглощают колебания в широком диапазоне частот. Интерференция без рассеяния использует особую сеточную компоновку, чтобы подавлять турбулентность на больших участках поверхности ниже по потоку — на крыльях и фюзеляже.
«Интерференция без рассеяния позволяет ослаблять пространственное поведение поля неустойчивости ниже по потоку от PSub, а суперрезонанс расширяет диапазон частот, в котором работает управление, — объяснил аспирант Адам Харрис (Adam Harris). — Вместе они приближают исходную концепцию PSub к уровню универсальности, необходимому для реальных условий обтекания».
От симуляций к экспериментам
Пока исследования опираются на моделирование, однако физические прототипы уже создают в разных лабораториях мира, и готовятся испытания в аэродинамических трубах.
Технология может пригодиться не только авиации. Те же принципы theoretically способны повышать эффективность корпусов судов, трубопроводов и турбомашин.
«Господствующая парадигма с самого начала авиации — управлять сопротивлением только за счёт формы аппарата, — отметил Хусейн. — Теперь у нас есть новая концепция: влиять на поверхностное сопротивление с помощью материалов, которые динамически взаимодействуют с потоком воздуха и повышают характеристики машины беспрецедентным образом».
Если подход подтвердится в реальных условиях, авиакомпании получат ещё один инструмент экономии топлива, а конструкторы — способ улучшать аэродинамику без радикального изменения внешнего облика самолёта.
