Selama lebih dari delapan dekade, industri dirgantara beroperasi berdasarkan aturan sederhana.
Kelancaran sama dengan kecepatan.
Tampaknya sudah jelas, bukan? Jika ingin lebih sedikit tarikan, poles permukaannya hingga mengkilat. Dogma ini datang dari Ichiro Tani pada tahun 1940. Ia berpendapat bahwa kekasaran permukaan apa pun—sekecil apa pun—akan memicu kekacauan aliran udara dan resistensi lonjakan. Kami membuat kereta peluru, jet, dan mobil berdasarkan asumsi tersebut.
Tapi alam jarang serapi ini.
Pada tahun 1989, Tani sendiri meninjau kembali data lama. Ia berpendapat bahwa kekasaran tidak selalu menjadi musuh. Beberapa dekade kemudian, sebuah tim di Universitas Tohoku menangkap bisikan itu dan mengubahnya menjadi suara gemuruh.
Kekasaran mikro, hasil makro
Aiko Yakino dan rekan-rekannya telah melakukan hal yang tidak terpikirkan. Mereka mengurangi hambatan aerodinamis sebesar 43,6%.
Bagaimana?
Dengan membuat segalanya lebih kasar.
Mereka menggunakan kekasaran mikro terdistribusi (DMR). Jika dilihat dengan mata telanjang, permukaan ini terlihat halus. Penyimpangannya bersifat mikroskopis. Manik-manik kaca kecil, diameter 38 hingga 53 mikrometer, atau lubang cekung sandblast. Dari sudut pandang hidrodinamik, lapisan ini bukanlah sebuah kesalahan. Tingginya hanya 1% dari lapisan batas —lapisan tipis udara yang menempel pada kendaraan.
Namun ketidaksempurnaan kecil itu menunda terjadinya kekacauan aliran udara. Ini menjaga udara laminar, mengalir secara teratur, lembaran dengan gesekan rendah lebih lama dibandingkan permukaan yang sangat halus.
“Kekasaran belum tentu hanya menyebabkan gejolak.”
—Ichiro Tani (1989)
Masalah pengukuran
Untuk membuktikan hal ini diperlukan alat-alat baru. Terowongan angin tua itu curang.
Batang pendukung. Kabel. Struktur yang menampung model uji mengganggu udara, menutupi manfaat halus dari kekasaran mikro. Anda tidak dapat mengukur apa yang tidak dapat Anda isolasi.
Tim menggunakan 1m-MSBS. Ini adalah keseimbangan dukungan magnetik terbesar di dunia.
Modelnya melayang.
Gaya elektromagnetik menggantungkannya 1,07 meter ke dalam aliran angin. Tidak ada batang. Tidak ada kontak. Aliran udara tetap murni.
Mereka menguji sejumlah besar angka Reynolds —mulai dari $0,35 \kali 10^6$ hingga $3,6 \kali 10^6$. Angka tak berdimensi ini memperkirakan apakah fluida akan mengalir lancar atau rusak.
Hasilnya sangat mencolok.
Pada model berlapis DMR, ambang batas kritis untuk turbulensi melonjak dari sekitar $1,9 \kali 10^6 menjadi $2,2 \kali 10^$. Peluang untuk penerbangan laminar yang efisien diperluas secara signifikan. Hingga kecepatan tertinggi yang diukur, permukaan kasar mengalahkan permukaan halus.
Bukan tekanan, tapi gesekan
Lalu apa yang sebenarnya terjadi di udara?
Drag biasanya datang dari dua tempat:
- Ketahanan tekanan. Udara terpisah dari bagian belakang benda, menciptakan ruang hampa bertekanan rendah yang menyedot benda kembali. Pikirkan bola golf. Lesung pipi memaksa turbulensi untuk mencegah pemisahan ini.
- Ketahanan gesekan. Viskositas fisik udara yang bergesekan dengan kulit.
DMR menyerang gesekan, bukan tekanan.
Untuk mengonfirmasi hal ini, tim menjalankan model Simulasi Eddy Besar (LES) dengan jumlah sel hingga 45 juta. Mereka melukis model dengan minyak neon untuk melihat alirannya secara visual. Angka-angka itu tidak berbohong. Pengurangan hambatan jauh melebihi keuntungan maksimum teoritis dari menghilangkan pemisahan saja.
Jika Anda menghapus resistensi tekanan sepenuhnya, ini hanya akan menghasilkan sekitar 20% penghematan.
Sisanya? Mengurangi gesekan.
Ini merupakan kontradiksi langsung dengan logika bola golf. Bola golf mengundang kekacauan untuk tetap melekat. DMR menegakkan perintah untuk mengurangi gesekan. Mekanisme yang berlawanan. Tujuan yang berbeda.
Mengapa hiu tidak mengerti maksudnya
Teknologi kulit hiu—tulang rusuk yang memanjang seperti alur—telah menjadi standar emas untuk pengurangan hambatan pasif. Tapi itu rewel. Tulang rusuk harus sejajar dengan aliran udara. Ubah sudutnya, kehilangan manfaatnya.
DMR malas dalam cara terbaik.
Itu adalah segala arah.
Acak.
Karena kekasaran didistribusikan tanpa pola, maka sudut serang tidak terlalu penting. Tidak ada bagian yang bergerak. Tidak diperlukan listrik. Hanya tekstur.
Implikasinya sangat berat. Hambatan yang lebih rendah berarti lebih sedikit bahan bakar. Lebih sedikit bahan bakar berarti lebih sedikit biaya dan lebih sedikit jejak karbon. Ini berlaku untuk pesawat terbang, kapal laut, bahkan mungkin mobil Anda di lain waktu.
Tim Tohoku mengatakan mereka akan mengoptimalkan bentuk dan kepadatan selanjutnya.
Saya bertanya-tanya berapa lama waktu yang diperlukan bagi para insinyur untuk berhenti mempelajari pemolesan selama 80 tahun?
