我国减阻研究突破性进展较之前国际报道的最高水平提高了52%

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2023-03-29 17:23:05 极目新闻

3月27日，记者从西北工业大学获悉，该校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高水平提高了52%。

△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”。

(责任编辑：高钊垣 zx0304)

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