日前，西北工業(yè)大學(xué)空天微納系統(tǒng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在飛行器減阻方面取得突破性進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過模仿我國庫姆塔格沙漠特有的舌狀分形沙壟結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出仿沙壟舌形多層分形減阻微納結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)減阻率較之前國際報道的最好水平提高了52%，減阻風(fēng)向攝動角度從35°增加到了60°，減阻性能已突破半世紀(jì)以來小肋氣動減阻技術(shù)的性能極限。

仿沙壟舌形分形結(jié)構(gòu)貼膜與結(jié)構(gòu)顯示圖

減阻是航空航天領(lǐng)域長期關(guān)注的焦點(diǎn)，不僅影響著飛行器氣動外形設(shè)計(jì)與布局優(yōu)化，在能源價格飆升的當(dāng)下，更對飛行器節(jié)能減排、降低運(yùn)行成本有著重要的應(yīng)用價值。

近年來，區(qū)別于通過改變飛機(jī)氣動布局實(shí)現(xiàn)減阻的傳統(tǒng)手段，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜裔槍Ω淖冿w機(jī)表面微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減阻開展了深入研究，但實(shí)際應(yīng)用中氣動減阻率較低、風(fēng)向魯棒性較差等問題一直難以解決，即在風(fēng)向發(fā)生變化時很難繼續(xù)保持原有的氣動減阻性能。為此空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任苑偉政教授與何洋教授團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，經(jīng)過長期比對分析，基于相似準(zhǔn)則提取條件特征,最終在茫茫沙漠找到了解決方案。

“沙粒在風(fēng)的搬運(yùn)堆積下自然形成沙壟，并在沙壟表面形成了具有一定起伏規(guī)律的微地貌結(jié)構(gòu)。而自然界遵循最小阻力原則，即所有的物質(zhì)都會沿著最小阻力路徑運(yùn)動。這說明風(fēng)在通過這些微地貌結(jié)構(gòu)形成的路徑中時能量損失最小，也就意味著這種沙壟結(jié)構(gòu)表面對風(fēng)的阻力最小。”何洋教授解釋到。

團(tuán)隊(duì)正在開展試驗(yàn)

此后5年，團(tuán)隊(duì)多次前往新疆、甘肅、內(nèi)蒙的沙漠地形開展實(shí)地考察，分析沙丘形態(tài)、沙壟結(jié)構(gòu)、沙粒特征等，掌握了大量第一手?jǐn)?shù)據(jù)，最終選定庫姆塔格沙漠作為研究對象。

庫姆塔格沙漠沙壟形狀特征

庫姆塔格沙漠橫臥于阿爾金山與羅布泊之間，受獨(dú)特地形影響，8級以上大風(fēng)天數(shù)占全年近三分之一，且來風(fēng)方向并不固定，因此其沙壟表面形成了世界獨(dú)有的“舌形分形結(jié)構(gòu)”。這種特殊的風(fēng)向條件和不同尋常的結(jié)構(gòu)賦予了團(tuán)隊(duì)研究靈感，“格物致知、師法自然，這或許就是大自然給出的降低風(fēng)阻的‘最優(yōu)解’。”空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人苑偉政教授介紹。

但知道了仿生對象是什么到做出和仿生對象神似的微納結(jié)構(gòu)，這之間的差距宛若鴻溝。

研究團(tuán)隊(duì)基于無量綱粘性長度的縮放，經(jīng)建模及模擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)出了仿沙壟分形微納結(jié)構(gòu)。針對現(xiàn)有的微納結(jié)構(gòu)加工方式靈活度低、難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)型加工的問題，團(tuán)隊(duì)在前期掌握了MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）芯片制造技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出基于多重掩模的三重光刻方法，有效提升加工精度與效率，實(shí)現(xiàn)了多層高深異構(gòu)復(fù)合微結(jié)構(gòu)的精確制造。

仿沙壟舌形分形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

結(jié)構(gòu)制造成功，但如何精確測量出結(jié)構(gòu)表面極小量級摩擦力以驗(yàn)證減阻性能，又成為團(tuán)隊(duì)面臨的新問題。團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)、設(shè)計(jì)搭建了國際首座高分辨力微納減阻測量風(fēng)洞，為微納結(jié)構(gòu)流動測量提供有效手段，該系統(tǒng)總剪切力分辨力精確至 2.5×10^-6N，與人的呼吸氣流作用在一張名片表面的氣動摩擦力大小相當(dāng)，為公開報道國際風(fēng)洞剪切力測量的最好結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)室已建成的微納減阻測量風(fēng)洞

經(jīng)多輪試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終翼型葉柵空氣動力學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室出具檢測報告表明：“仿沙壟減阻微納結(jié)構(gòu)蒙皮具有顯著的減阻效果，超過已知公開報道的最高水平。”團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目——“仿沙壟氣動減阻分形微納結(jié)構(gòu)及其制造技術(shù)”也以“優(yōu)秀”結(jié)題，評議專家高度評價該項(xiàng)目為，“研究工作取得突出結(jié)果，建議拓展工程應(yīng)用。”

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人苑偉政教授（右二）指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)開展科研

“下一步，我們希望通過科技成果轉(zhuǎn)化，讓科研成果在大飛機(jī)、高鐵、風(fēng)力發(fā)電等多個領(lǐng)域投入使用，為節(jié)能減排、助力實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)提供新的解決方案。”對于未來的發(fā)展前景，苑偉政教授充滿信心。（李志強(qiáng) 付怡 西北工業(yè)大學(xué)供圖）

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