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我國(guó)減阻研究取得突破進(jìn)展:減阻性能已突破半個(gè)世紀(jì)以來小肋氣動(dòng)減阻技術(shù)性能極限
近日,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(guó)庫(kù)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(guó)際報(bào)道的最好水平提高了52%,減阻風(fēng)向攝動(dòng)角度從35°增加到了60°,減阻性能已突破半個(gè)世紀(jì)以來小肋氣動(dòng)減阻技術(shù)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
為何選擇沙漠作為仿生對(duì)象?
研究團(tuán)隊(duì)何洋教授介紹,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(huì)沿著最小阻力路徑運(yùn)動(dòng)。這說明風(fēng)在通過這些地貌結(jié)構(gòu)形成的路徑中時(shí)能量損失最小,也就意味著這種沙壟結(jié)構(gòu)表面對(duì)風(fēng)的阻力最小。5年來,團(tuán)隊(duì)多次前往新疆、甘肅、內(nèi)蒙古的沙漠地形開展實(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(kù)姆塔格沙漠作為研究對(duì)象。
庫(kù)姆塔格沙漠沙壟形狀特征
庫(kù)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(jí)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。
知道仿生對(duì)象≠能做出仿生對(duì)象
研究團(tuán)隊(duì)基于無量綱粘性長(zhǎng)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(duì)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(shì)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
檢測(cè)報(bào)告:減阻效果超過已知公開報(bào)道的最高水平
團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)、設(shè)計(jì)搭建了國(guó)際首座高分辨力微納減阻測(cè)量風(fēng)洞,為微納結(jié)構(gòu)流動(dòng)測(cè)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(dòng)摩擦力大小相當(dāng),為公開報(bào)道國(guó)際風(fēng)洞剪切力測(cè)量的最好結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)室已建成的微納減阻測(cè)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(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室出具檢測(cè)報(bào)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(bào)道的最高水平?!痹u(píng)議專家高度評(píng)價(jià)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”。
(總臺(tái)記者 吳成軒 劉海濤)
- 原標(biāo)題:沙漠中找答案 我國(guó)減阻研究取得突破進(jìn)展
- 責(zé)任編輯: 房佶宜 
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