近日，西北工業大學空天微納系統創新團隊在飛行器減阻方面取得突破性進展。該團隊通過模仿我國庫姆塔格沙漠特有的舌狀分形沙壟結構，設計出仿沙壟舌形多層分形減阻微納結構。該結構減阻率較之前國際報導的最好水平提高了52%，減阻風向攝動角度從35°增加到了60°，減阻性能已突破半個世紀以來小肋氣動減阻技術性能極限。
△仿沙壟舌形分形結構貼膜與結構顯示圖
為何選擇沙漠作為仿生對象？
研究團隊何洋教授介紹，沙粒在風的搬運堆積下自然形成沙壟，並在沙壟表面形成了具有一定起伏規律的地貌結構。而自然界遵循最小阻力原則，即所有的物質都會沿著最小阻力路徑運動。這說明風在通過這些地貌結構形成的路徑中時能量損失最小，也就意味著這種沙壟結構表面對風的阻力最小。5年來，團隊多次前往新疆、甘肅、內蒙古的沙漠地形開展實地考察，分析沙丘形態、沙壟結構、沙粒特徵等，掌握了大量第一手數據，最終選定庫姆塔格沙漠作為研究對象。
△庫姆塔格沙漠沙壟形狀特徵
庫姆塔格沙漠橫臥於阿爾金山與羅布泊之間，受獨特地形影響，8級以上大風天數占全年近三分之一，且來風方向並不固定，因此其沙壟表面形成了世界獨有的「舌形分形結構」。這種特殊的風向條件和不同尋常的結構賦予了團隊研究靈感。
知道仿生對象≠能做出仿生對象
研究團隊基於無量綱粘性長度的縮放，經建模及模擬驗證設計出了仿沙壟分形微納結構。針對現有的微納結構加工方式靈活度低、難以實現複雜構型加工的問題，團隊在前期掌握了MEMS（微機電系統）晶片製造技術優勢的基礎上，創造性地提出基於多重掩模的三重光刻方法，有效提升加工精度與效率，實現了多層高深異構複合微結構的精確製造。
△仿沙壟舌形分形結構設計圖
檢測報告：減阻效果超過已知公開報導的最高水平
團隊自主研發、設計搭建了國際首座高分辨力微納減阻測量風洞，為微納結構流動測量提供有效手段，該系統總剪切力分辨力精確至2.5×10-6N，與人的呼吸氣流作用在一張名片表面的氣動摩擦力大小相當，為公開報導國際風洞剪切力測量的最好結果。
△實驗室已建成的微納減阻測量風洞
經多輪試驗與結構優化，最終翼型葉柵空氣動力學國家級重點實驗室出具檢測報告表明：「仿沙壟減阻微納結構蒙皮具有顯著的減阻效果，超過已知公開報導的最高水平。」評議專家高度評價該項目為「研究工作取得突出結果，建議拓展工程應用」。
（總台記者 吳成軒 劉海濤）
（來源：央視新聞）
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