Американские физики предложили улучшить аэродинамические характеристики крыла самолета, покрыв его поверхность небольшими чешуйками, по форме повторяющими геометрию чешуи акулы. Оказалось, что с помощью таких элементов можно повысить отношение подъемной силы к силе аэродинамического сопротивления при небольших углах атаки более, чем в 4 раза, сообщают ученые в Journal of the Royal Society Interface.

Изменение геометрии крыла самолета — один из способов улучшить его аэродинамические характеристики; в частности, это позволяет уменьшить силу сопротивления воздуха и увеличить подъемную силу. К нужному эффекту может привести как использование дополнительных элементов, таких как закрылки и законцовки, так и модификация геометрии поверхности крыла. Такие изменения не требуют дополнительных источников энергии и улучшают аэродинамику крыла только за счет взаимодействия потока воздуха с поверхностью крыла. Как правило, такие аэродинамические элементы основаны на изменении направления воздушных потоков и формировании в них небольших вихрей.

Микрофотография поверхности кожи акулы, покрытой чешуйками. Harvard University

Американские ученые под руководством Джорджа Лаудера (George V. Lauder) из Гарвардского университета предложили использовать для снижения аэродинамического сопротивления зубчатые чешуйки, аналогичные тем, которые покрывают кожу акул. Проанализировав фотографии чешуек, ученые построили трехмерную модель и напечатали искусственные элементы аналогичной формы из фотополимера на 3d-принтере.

Слева — микрофотография кожи акулы. Длина масштабной линейки — 200 микрометров. Справа — трехмерная модель одной чешуйки, которую авторы использовали в данной работе. August G. Domel et al./ Journal of the Royal Society Interface, 2018

Схема нанесения чешуек на поверхность крыла в один ряд или четыре ряда. Снизу представлена схема обтекания профиля крыла воздушным потоком. August G. Domel et al./ Journal of the Royal Society Interface, 2018

Такими искусственными чешуйками авторы работы покрыли модель крыла самолета, выстроив их в один или четыре ряда вдоль крыла. Для оценки их эффективности авторы работы оценили изменения в подъемной силе и силе аэродинамического сопротивления, к которым приводит нанесение на поверхность крыла чешуек. Анализ проводился экспериментально (с помощью велосиметрии движущихся частиц в обтекающем крыло потоке воды с соответствующими воздушному потоку числами Рейнольдса), а также с помощью компьютерного моделирования.

Результаты экспериментального определения линий воздушного потока для плоской поверхности крыла при двух углах атаки: 0 градусов (сверху) и 4 градуса (снизу). August G. Domel et al./ Journal of the Royal Society Interface, 2018

Результаты экспериментального определения линий воздушного потока для поверхности крыла с небольшим выступом при двух углах атаки: 0 градусов (сверху) и 4 градуса (снизу). August G. Domel et al./ Journal of the Royal Society Interface, 2018

Результаты экспериментального определения линий воздушного потока для поверхности крыла, покрытой чешуйками при двух углах атаки: 0 градусов (сверху) и 4 градуса (снизу). August G. Domel et al./ Journal of the Royal Society Interface, 2018

Оказалось, что использование чешуек действительно приводит к одновременному снижению аэродинамического сопротивления и увеличению подъемной силы. Эффект менее выражен для самых маленьких углов атаки (когда плоскость крыла очень близка к плоскости воздушного потока), достигает максимума при угле атаки около 5 градусов, после чего снова начинает падать. Однако, если сравнивать аэродинамическое поведение чешуйчатого и плоского крыльев, то наибольшее относительное увеличение характерно для самых маленьких углов атаки (около 1 градуса) и приводит к увеличению отношения подъемной силы к силе сопротивления в 4,2 раза.

Такое поведение ученые объясняют механизмом, который включает в себя два процесса. Во-первых, происходит разделение объемов воздуха в области за каждой чешуйкой, что приводит к образованию неоднородного распределения давлений и увеличению эффективности засасывания воздуха. Во-вторых, в направлении потока формируются вихри, которые компенсируют потерю импульса из-за трения воздуха о поверхность крыла.

Результаты численного моделирования обтекания потоком воздуха единственной чешуйки. Сзади представлен срез поля скорости вдоль воздушного потока. August G. Domel et al./ Journal of the Royal Society Interface, 2018

Также вместо отдельных чешуек ученые предложили использовать один общий протяженный элемент, который приводит не к формированию отдельных небольших вихрей после чешуек, а одного большого вихря. Такой подход позволяет расширить диапазон эффективного аэродинамического поведения крыла на большие углы атак: если отдельные чешуйки постепенно теряют свою эффективность при углах атаки более 8 градусов, то одна протяженная позволяет почти в два раза увеличить отношение подъемной силы к силе сопротивления и при углах атаки около 13 градусов. Кроме того, ученые отмечают, что технологии получения протяженных длинных чешуек и нанесения их на поверхность значительно проще, поэтому, вероятно, именно такие элементы более перспективны для дальнейшего использования.

Помимо использования чешуек специальной формы, у акул существует множество других механизмов для улучшения своих гидродинамических характеристик. В частности, чтобы ускорить свое движение и не тратить на это много сил, некоторые акулы плавают на боку, а другие при этом еще и быстро качают головой. Стоит отметить, что не в первый раз особенности строения тела акулы ученые используют для разработки элементов, позволяющих снижать сопротивление, правда до этого их всегда использовали для оптимизации движения в воде.

Ранее американская компания Edge Aerodynamix разработала самоклеющиеся вихрегенераторы, призванные ослаблять или устранять отрыв потока на аэродинамических поверхностях самолета. Благодаря таким «наклейкам» может улучшиться аэродинамика самолетов, что приведет к снижению потребления топлива.

Автор: Александр Дубов