库姆塔格沙漠沙垄形状特征。西北工业大学供图

本报讯 日前，西北工业大学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形分形沙垄结构，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好水平提高了52%，减阻风向摄动角度从35°增加到了60°，减阻性能突破半世纪以来小肋气动减阻技术性能极限。

近年来，区别于通过改变飞机气动布局实现减阻的传统手段，国内外专家针对改变飞机表面微观结构实现减阻开展了深入研究。如汉莎航空技术公司通过仿生“鲨鱼皮”研制出一款飞机“贴膜”，经试验应用于波音747-400飞机上，可有效降低飞行摩擦阻力。

但仿生“鲨鱼皮”结构在实际应用中存在着气动减阻率较低、风向鲁棒性较差等问题，即在风向发生变化时很难继续保持原有的气动减阻性能。

为此，空天微纳系统教育部重点实验室主任苑伟政与何洋教授团队经过长期比对分析，基于相似准则提取条件特征，最终在茫茫沙漠找到了解决方案。

“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。”何洋解释说。

此后5年，团队多次前往新疆、甘肃、内蒙古的沙漠开展实地考察，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1/3，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。

研究团队基于无量纲黏性长度的缩放，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。

结构制造成功，但如何精确测量出结构表面极小量级摩擦力以验证减阻性能，成为团队面临的新问题。

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，为公开报道的国际风洞剪切力测量最好结果。

最终翼型叶栅空气动力学国家级重点实验室出具的检测报告表明，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。（严涛 张行勇）