Снизить расход топлива самолета можно не только за счет новых двигателей или изменения формы крыла. Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере работают над принципиально иным подходом — специальными структурами под обшивкой, которые используют собственные микроскопические колебания для управления потоком воздуха.
Технология получила название phononic subsurfaces, или PSubs — фонические подповерхности. При этом снаружи крыло может оставаться абсолютно гладким: все необходимые структуры располагаются внутри него.
Проблема, которую пытаются решить исследователи, возникает в так называемом пограничном слое воздуха непосредственно у поверхности самолета. Сначала поток может оставаться ламинарным — то есть относительно упорядоченным. Но постепенно небольшие возмущения усиливаются, после чего поток переходит в турбулентный режим.
Для самолета это означает увеличение сопротивления трения и, соответственно, более высокий расход топлива. Речь идет именно о локальной турбулентности у поверхности крыла, а не об атмосферной турбулентности, которую ощущают пассажиры в салоне.
Как работает PSub
Основная идея заключается в том, чтобы использовать энергию самого воздушного потока.
Возмущения в пограничном слое заставляют скрытую под обшивкой структуру вибрировать. Если правильно подобрать её характеристики, она будет соответствовать колебаниям в противофазе и частично гасить их.
Фактически используется принцип интерференции: одна волна ослабляет другую. При этом система является пассивной — ей не нужны электродвигатели, датчики или постоянное внешнее питание.
Сам концепт PSubs появился ещё около десяти лет назад, однако долгое время имел серьёзное ограничение. Обычная резонансная структура эффективно работала лишь в узком диапазоне частот, тогда как реальный поток воздуха состоит из большого количества возмущений различной частоты.
Исследователи попытались решить эту проблему с помощью так называемого суперрезонанса.
В новой конструкции фоническая структура имеет закрученную форму и создает несколько внутренних путей распространения энергии. Благодаря этому она может сохранять необходимую фазу колебаний в значительно более широком диапазоне частот.
В компьютерном моделировании такая система одновременно подавляла четыре нестабильных режима потока. Рабочий диапазон частот оказался более чем в пять раз шире по сравнению с обычной незакрученной резонансной структурой.
Отдельные элементы можно объединить в единую сеть
Второе важное направление исследований касается размещения PSubs.
Вместо одного элемента под поверхностью крыла ученые предлагают использовать целую решетку таких структур. Каждая из них взаимодействует с потоком в своей точке, а вместе они могут постепенно ослаблять возмущения на значительно более обширном участке поверхности.
Этот механизм исследователи называют scatterless interference — интерференцией без рассеяния. Моделирование показывает, что такая решетка может снижать энергию нестабильности потока в направлении его движения и тем самым отсрочить переход к турбулентному режиму.
В перспективе сочетание двух подходов позволяет решить сразу две проблемы: суперрезонанс расширяет диапазон частот, с которыми может работать система, а сеть PSubs увеличивает зону её действия.
Пока что говорить о появлении таких крыльев на серийных пассажирских самолетах еще рано. Новые результаты в значительной степени основаны на численном моделировании. В то же время физические прототипы PSubs уже создаются, а несколько исследовательских групп работают над их испытаниями в аэродинамических трубах.
Этой технологией также интересуются военные. Исследования команды Махмуда Хусейна поддерживает Управление военно-морских исследований США в рамках пятилетней программы стоимостью 7,5 млн долларов. Отдельно изучается возможность использования PSubs на гиперзвуковых аппаратах, где контроль пограничного слоя важен не только из-за сопротивления, но и из-за сильного нагрева корпуса.
Если эту технологию удастся довести до практического применения, самолетам не обязательно понадобятся сложные подвижные поверхности или активные системы управления потоком. Часть работы по аэродинамике сможет выполнять сама внутренняя структура материала под обшивкой.
