Фізики запропонували обклеювати крила літаків штучними акульими чешуйками

Американські фізики запропонували поліпшити аеродинамічні характеристики крила літака, покривши його поверхню невеликими чешуйками, що за формою повторюють геометрію луски акули. Виявилося, що за допомогою таких елементів можна підвищити ставлення підйомної сили до сили аеродинамічного опору при невеликих кутах атаки більш, ніж в 4 рази, повідомляють вчені в.

Зміна геометрії крила літака - один із способів поліпшити його аеродинамічні характеристики; зокрема, це дозволяє зменшити силу опору повітря і збільшити підйомну силу. До потрібного ефекту може призвести як використання додаткових елементів, таких як закрилки і законцовки, так і модифікація геометрії поверхні крила. Такі зміни не потребують додаткових джерел енергії та покращують аеродинаміку крила лише за рахунок взаємодії потоку повітря з поверхнею крила. Як правило, такі аеродинамічні елементи засновані на зміні напрямку повітряних потоків і формуванні в них невеликих вихорів.

Американські вчені під керівництвом Джорджа Лаудера (George V. Lauder) з Гарвардського університету запропонували використовувати для зниження аеродинамічного опору зубчасті чешуйки, аналогічні тим, які покривають шкіру акул. Проаналізувавши фотографії лусочок, вчені побудували тривимірну модель і надрукували штучні елементи аналогічної форми з фотополімеру на 3d-принтері.

Такими штучними чешуйками автори роботи покрили модель крила літака, вибудувавши їх в один або чотири ряди вздовж крила. Для оцінки їх ефективності автори роботи оцінили зміни в підйомній силі і силі аеродинамічного опору, до яких призводить нанесення на поверхню крила лусочок. Аналіз проводився експериментально (за допомогою велосиметрії рухомих частинок в обтічному крило потоці води з відповідними повітряному потоку числами Рейнольдса), а також за допомогою комп'ютерного моделювання.

Виявилося, що використання лусочок дійсно призводить до одночасного зниження аеродинамічного опору і збільшення підйомної сили. Ефект менш виражений для найменших кутів атаки (коли площина крила дуже близька до площини повітряного потоку), досягає максимуму при вугіллі атаки близько 5 градусів, після чого знову починає падати. Однак, якщо порівнювати аеродинамічну поведінку лускуватого і плоского крил, то найбільше відносне збільшення характерне для найменших кутів атаки (близько 1 градуса) і призводить до збільшення ставлення підйомної сили до сили опору в 4,2 рази.

Таку поведінку вчені пояснюють механізмом, який включає в себе два процеси. По-перше, відбувається поділ обсягів повітря в області за кожною лусочкою, що призводить до утворення неоднорідного розподілу тисків і збільшення ефективності засмоктування повітря. По-друге, в напрямку потоку формуються вихори, які компенсують втрату імпульсу через тертя повітря об поверхню крила.

Також замість окремих лусочок вчені запропонували використовувати один загальний протяжний елемент, який призводить не до формування окремих невеликих вихорів після лусочок, а одного великого вихору. Такий підхід дозволяє розширити діапазон ефективної аеродинамічної поведінки крила на великі кути атак: якщо окремі лусочки поступово втрачають свою ефективність при кутах атаки більше 8 градусів, то одна протяжна дозволяє майже в два рази збільшити ставлення підйомної сили до сили опору і при кутах атаки близько 13 градусів. Крім того, вчені відзначають, що технології отримання протяжних довгих лусочок і нанесення їх на поверхню значно простіше, тому, ймовірно, саме такі елементи більш перспективні для подальшого використання.

Крім використання лусочок спеціальної форми, у акул існує безліч інших механізмів для поліпшення своїх гідродинамічних характеристик. Зокрема, щоб прискорити свій рух і не витрачати на це багато сил, деякі акули плавають на боці, а інші при цьому ще й швидко хитають головою. Варто зазначити, що не вперше особливості будови тіла акули вчені використовують для розробки елементів, що дозволяють знижувати опір, правда до цього їх завжди використовували для оптимізації руху у воді.

Раніше американська компанія Edge Aerodynamix розробила вихрегенератори, покликані послаблювати або усувати відрив потоку на аеродинамічних поверхнях літака. Завдяки таким «наклейкам» може покращитися аеродинаміка літаків, що призведе до зниження споживання палива.