В течение более чем восьмидесяти лет аэрокосмическая индустрия руководствовалась простым правилом.
Гладкость равна скорости.
Всё кажется очевидным, не так ли? Если вы хотите снизить сопротивление, отполируйте поверхность до блеска. Этот догмат утвердился благодаря Ичиро Тани в 1940 году. Он утверждал, что любая шероховатость поверхности, сколь бы микроскопической она ни была, провоцирует хаотичное течение воздуха и вызывает скачок сопротивления. На основе этого предположения мы создали скоростные поезда, реактивные самолёты и автомобили.
Но природа редко бывает такой уж упорядоченной.
В 1989 году сам Тани пересмотрел старые данные. Он предположил, что шероховатость не всегда является врагом. Десятилетия спустя команда Тохоку университета превратила эту гипотезу в громкое открытие.
Микроскопическая шероховатость, макроскопические результаты
Айко Якино и её коллеги совершили невозможное. Они снизили аэродинамическое сопротивление на 43,6%.
Каким образом?
Сделав поверхность более шероховатой.
Они использовали технологию распределённой микрощероховатости (DMR). Для невооружённого глаза эти поверхности выглядят гладкими. Неровности имеют микроскопические размеры. Речь идёт о крошечных стеклянных шариках диаметром от 38 до 53 микрон или пескоструйных впадинах. С точки зрения гидродинамики эти покрытия почти незаметны. Их высота составляет всего 1% от толщины пограничного слоя — того тонкого слоя воздуха, который «прилипает» к корпусу транспортного средства.
Однако эта лёгкая несовершенность отсрочивает момент, когда воздушный поток становится хаотичным. Она поддерживает ламинарное течение воздуха, позволяя ему двигаться упорядоченными слоями с низким трением гораздо дольше, чем это возможно на идеально гладкой поверхности.
«Шероховатость не обязательно всегда провоцирует турбулентность».
— Ичиро Тани (1989)
Проблема измерения
Чтобы доказать эту теорию, потребовались новые инструменты. Старые аэродинамические трубки давали погрешность.
Опорные стержни. Провода. Сами конструкции, удерживающие испытательные модели, нарушали воздушный поток, маскируя тонкие преимущества микрощероховатости. Нельзя измерить то, что невозможно изолировать.
Команда использовала установку 1m-MSBS. Это крупнейший в мире магнитный весовой баланс.
Модель левитирует.
Электромагнитная сила удерживает её на высоте 1,07 метра в потоке воздуха. Никаких стержней. Никакого контакта. Воздушный поток остаётся чистым.
Тесты проводились в широком диапазоне чисел Рейнольдса — от $0,35 \times 10^6$ до $3,6 \times 10^6$. Это безразмерное число предсказывает, будет ли жидкость (или газ) течь плавно или перейдёт в турбулентный режим.
Результаты были однозначными.
На моделях с покрытием DMR критический порог турбулентности поднялся примерно с $1,9 \times 10^6$ до $2,2 \times 10^6$. Окно для эффективного ламинарного полёта значительно расширилось. До максимальной измеренной скорости шероховатая поверхность превосходила гладкую.
Не давление, а трение
Что же происходит в воздухе на самом деле?
Сопротивление обычно складывается из двух составляющих:
- Силовое (формовое) сопротивление. Воздух отходит от задней части объекта, создавая вакуум с низким давлением, который «втягивает» объект назад. Вспомните гольф-мячи. Димпли (ямки) намеренно провоцируют турбулентность, чтобы предотвратить это отслоение потока.
- Сопротивление трения. Физическое вязкое трение воздуха о поверхность.
Технология DMR борется с трением, а не с давлением.
Чтобы подтвердить это, команда провела моделирование методом больших вихрей (LES) с использованием сетки до 45 миллионов ячеек. Они нанесли на модели флуоресцентное масло, чтобы визуально отслеживать течение. Цифры не врут. Снижение сопротивления значительно превысило теоретический максимум выгоды, который можно было бы получить, просто устранив отслоение потока.
Если бы давление было устранено полностью, это составило бы лишь около 20% экономии.
Остальное? Сниженное трение.
Это прямое противоречие логике гольф-мяча. Гольф-мяч призывает хаос, чтобы поток оставался прилипшим к поверхности. DMR навязывает порядок, чтобы уменьшить трение. Разные механизмы. Разные цели.
Почему акулы ошибались
Технология «акулинной кожи» — продольные ребра, напоминающие канавки — считалась золотым стандартом пассивного снижения сопротивления. Но она прихотлива. Рёбра должны быть строго выровнены с направлением потока воздуха. Измени угол — и преимущество исчезнет.
DMR «ленива» в лучшем смысле этого слова.
Она омни_directional (работает во всех направлениях).
Случайна.
Поскольку шероховатость распределена без определённого паттерна, угол атаки имеет гораздо меньшее значение. Нет движущихся частей. Не требуется электричество. Просто текстура.
Последствия этого открытия весомы. Меньшее сопротивление означает меньше топлива. Меньше топлива означает снижение затрат и уменьшение углеродного следа. Это применимо к самолётам, кораблям и, возможно, к вашему следующему автомобилю.
Команда Тохоку университета заявляет, что следующим шагом будет оптимизация формы и плотности шероховатости.
Интересно, сколько времени потребуется инженерам, чтобы «отучиться» от восьмидесяти лет полировки поверхностей?
