抽象的:
航空业正在经历向可持续运营的转型, 燃油效率是关键焦点. 本文介绍了一种新型飞机薄膜表面涂层的开发, 灵感来自鲨鱼皮的微观结构. 仿生设计, 其特征是类似于真皮小齿的重叠微尺度肋条, 旨在显着减少空气动力阻力. 通过在空气动力学背景下模仿鲨鱼皮的流体动力学优势, 该技术有望大幅节省燃料并减少碳排放.
1. 介绍
燃油消耗仍然是商业航空的主要运营成本和环境问题. 仿生工程的最新进展为通过表面改性优化性能开辟了新途径. 一种有前途的方法的灵感来自 监狱 (地面鲨鱼), 其真皮表面结构能够在水中有效推进. 这项研究探讨了如何将这种自然形态改编成可应用于飞机外部的功能性聚合物薄膜.
2. 仿生学和鲨鱼皮肤形态学
鲨鱼皮肤呈现出复杂的真皮小齿图案——显微镜下观察, 鳞片重叠，有纵向沟纹. 这些结构通过简化边界层来减少湍流, 从而最大限度地减少水生环境中的阻力. 当转换为气流时, 可以利用类似的原理来减少飞机表面的蒙皮摩擦阻力.
主要特点:
- 肋间距约为 50–150 微米.
- 重叠几何形状以延迟边界层分离.
- 疏水特性有助于层流维持.
3. 材料设计与制造
人造薄膜涂层由高耐久性, 嵌入微结构表面纹理的抗紫外线聚氨酯基质. 沟槽图案采用先进的纳米压印光刻技术制成，以确保高保真度和可扩展性.
技术规格:
- 膜厚: 〜100微米.
- 肋深度: 30–50 微米.
- 热稳定性: −55°C 至 80°C.
- 适用于现有飞机机身和机翼表面的背胶.
4. 风洞和计算流体动力学测试
亚音速风洞试验的实验数据表明，与未经处理的对照部分相比，经过处理的表面的表面摩擦阻力减少了 8-10%. CFD 模拟证实了涡流抑制和改进的流动重新附着, 特别是在机翼根部和机舱连接处等高湍流区域.
结果:
- 减阻: 6–10%, 取决于气流速度和表面位置.
- 预计节省燃料: 如果广泛采用，全球船队每年可节省约 20 亿美元.
- 投资回收期: <2 基于改造成本和燃料节省的年数.
5. 对商业航空的影响
通过提高空气动力效率, 这种受鲨鱼皮启发的涂层符合国际民航组织和国际航空运输协会的减排目标. 此外, 其轻质和非侵入性的特性允许在不改变机身完整性或监管认证途径的情况下进行改造.
潜在的好处包括:
- 每年减少约 2500 万吨二氧化碳排放.
- 增加长途飞机的航程.
- 通过节省运营成本增强竞争力.
6. 结论和未来方向
仿生设计与航空航天工程的融合展示了受自然启发的解决方案在应对复杂工业挑战方面的力量. 未来的研究将集中于优化跨音速条件下的肋方向, 长期风化研究, 以及大规模部署的自动化应用技术.
参考:
- 马克杯, D. W., 等人. “减阻表面及其可调节几何形状优化的实验。” 流体力学杂志, 卷. 338, 1997, PP. 59–87.
- 院长, B., & 布山, 乙. “鲨鱼皮表面可减少湍流中的流体阻力: 评论。” 英国皇家学会哲学汇刊 A, 卷. 368, 不. 1929, 2010, PP. 4775–4806.
- 国际航空运输协会 (国际航空运输协会). “净零通过 2050: 航空业的承诺。”国际航空运输协会报告, 2023.
