Зменшити витрату пального літака можна не лише за рахунок нових двигунів або зміни форми крила. Дослідники з Університету Колорадо в Боулдері працюють над принципово іншим підходом — спеціальними структурами під обшивкою, які використовують власні мікроскопічні коливання для керування потоком повітря.
Технологія отримала назву phononic subsurfaces, або PSubs — фонічні підповерхні. Зовні крило при цьому може залишатися абсолютно гладким: усі необхідні структури розташовуються всередині нього.
Проблема, яку намагаються вирішити дослідники, виникає у так званому прикордонному шарі повітря безпосередньо біля поверхні літака. Спочатку потік може залишатися ламінарним — тобто відносно впорядкованим. Але поступово невеликі збурення посилюються, після чого потік переходить у турбулентний режим.
Для літака це означає збільшення опору тертя і, відповідно, більшу витрату пального. Йдеться саме про локальну турбулентність біля поверхні крила, а не про атмосферну турбулентність, яку відчувають пасажири в салоні.
Як працює PSub
Основна ідея полягає в тому, щоб використати енергію самого повітряного потоку.
Збурення в прикордонному шарі змушують приховану під обшивкою структуру вібрувати. Якщо правильно підібрати її характеристики, вона відповідатиме коливанням у протифазі й частково пригнічуватиме їх.
Фактично використовується принцип інтерференції: одна хвиля послаблює іншу. При цьому система є пасивною — їй не потрібні електродвигуни, датчики або постійне зовнішнє живлення.
Сам концепт PSubs з’явився ще близько десяти років тому, проте довгий час мав серйозне обмеження. Звичайна резонансна структура ефективно працювала лише у вузькому діапазоні частот, тоді як реальний потік повітря складається з великої кількості збурень різної частоти.
Цю проблему дослідники спробували вирішити за допомогою так званого суперрезонансу.
У новій конструкції фонічна структура має закручену форму та створює кілька внутрішніх шляхів поширення енергії. Завдяки цьому вона може зберігати необхідну фазу коливань у значно ширшому діапазоні частот.
У комп’ютерному моделюванні така система одночасно пригнічувала чотири нестабільні режими потоку. Робочий діапазон частот виявився більш ніж у п’ять разів ширшим порівняно зі звичайною незакрученою резонансною структурою.
Окремі елементи можна об’єднати в цілу мережу
Другий важливий напрямок досліджень стосується розміщення PSubs.
Замість одного елемента під поверхнею крила науковці пропонують використовувати цілу решітку таких структур. Кожна з них взаємодіє з потоком у своїй точці, а разом вони можуть поступово послаблювати збурення на значно більшій ділянці поверхні.
Цей механізм дослідники називають scatterless interference — інтерференцією без розсіювання. Моделювання показує, що така решітка може зменшувати енергію нестабільності потоку в напрямку його руху й таким чином відкладати перехід до турбулентного режиму.
У перспективі поєднання двох підходів дозволяє вирішити одразу дві проблеми: суперрезонанс розширює діапазон частот, з якими може працювати система, а мережа PSubs збільшує площу її дії.
Поки що говорити про появу таких крил на серійних пасажирських літаках зарано. Нові результати значною мірою базуються на чисельному моделюванні. Водночас фізичні прототипи PSubs уже створюються, а кілька дослідницьких груп працюють над їхніми випробуваннями в аеродинамічних трубах.
Технологією також цікавляться військові. Дослідження команди Махмуда Хусейна підтримує Управління військово-морських досліджень США в межах п’ятирічної програми вартістю $7,5 млн. Окремо вивчається можливість використання PSubs на гіперзвукових апаратах, де контроль прикордонного шару важливий не лише через опір, а й через сильне нагрівання корпусу.
Якщо технологію вдасться довести до практичного застосування, літакам не обов’язково знадобляться складні рухомі поверхні або активні системи керування потоком. Частину роботи з аеродинамікою зможе виконувати сама внутрішня структура матеріалу під обшивкою.
