沙漠中找答案 我国减阻研究取得突破进展
近日，西北工业大学空天微纳系统创新团队在飞行器减阻方面取得突破性进展。该团队通过模仿我国库姆塔格沙漠特有的舌状分形沙垄结构，设计出仿沙垄舌形多层分形减阻微纳结构。该结构减阻率较之前国际报道的最好水平提高了52%，减阻风向摄动角度从35°增加到了60°，减阻性能已突破半个世纪以来小肋气动减阻技术性能极限。
△仿沙垄舌形分形结构贴膜与结构显示图
为何选择沙漠作为仿生对象?
研究团队何洋教授介绍，沙粒在风的搬运堆积下自然形成沙垄，并在沙垄表面形成了具有一定起伏规律的地貌结构。而自然界遵循最小阻力原则，即所有的物质都会沿着最小阻力路径运动。这说明风在通过这些地貌结构形成的路径中时能量损失最小，也就意味着这种沙垄结构表面对风的阻力最小。5年来，团队多次前往新疆、甘肃、内蒙古的沙漠地形开展实地考察，分析沙丘形态、沙垄结构、沙粒特征等，掌握了大量第一手数据，最终选定库姆塔格沙漠作为研究对象。
△库姆塔格沙漠沙垄形状特征
库姆塔格沙漠横卧于阿尔金山与罗布泊之间，受独特地形影响，8级以上大风天数占全年近三分之一，且来风方向并不固定，因此其沙垄表面形成了世界独有的“舌形分形结构”。这种特殊的风向条件和不同寻常的结构赋予了团队研究灵感。
知道仿生对象≠能做出仿生对象
研究团队基于无量纲粘性长度的缩放，经建模及模拟验证设计出了仿沙垄分形微纳结构。针对现有的微纳结构加工方式灵活度低、难以实现复杂构型加工的问题，团队在前期掌握了MEMS(微机电系统)芯片制造技术优势的基础上，创造性地提出基于多重掩模的三重光刻方法，有效提升加工精度与效率，实现了多层高深异构复合微结构的精确制造。
△仿沙垄舌形分形结构设计图
检测报告：减阻效果超过已知公开报道的最高水平
团队自主研发、设计搭建了国际首座高分辨力微纳减阻测量风洞，为微纳结构流动测量提供有效手段，该系统总剪切力分辨力精确至2.5×10-6N，与人的呼吸气流作用在一张名片表面的气动摩擦力大小相当，为公开报道国际风洞剪切力测量的最好结果。
△实验室已建成的微纳减阻测量风洞
经多轮试验与结构优化，最终翼型叶栅空气动力学国家级重点实验室出具检测报告表明：“仿沙垄减阻微纳结构蒙皮具有显著的减阻效果，超过已知公开报道的最高水平。”评议专家高度评价该项目为“研究工作取得突出结果，建议拓展工程应用”。
(总台记者 吴成轩 刘海涛)