我国设计出仿沙垄舌形多层分形飞行器减阻微纳结构

科技日报记者 史俊斌 通讯员 付怡

记者3月27日从西北工业大学获悉，该校空天微纳系统创新团队设计出仿沙垄舌形多层分形减阻微纳结构，一举破局当前国际飞行器减阻小肋气动减阻技术性能极限。科技查新显示，其减阻率提高52%，减阻风向摄动角度从35°增加到了60°。

仿沙垄舌形分形结构贴膜与结构显示图。

“减阻是航空航天领域长期关注的焦点，不仅影响着飞行器气动外形设计与布局优化，在能源价格飙升的当下，更对飞行器节能减排、降低运行成本有着重要应用价值。”该研究团队何洋教授解释，“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微地貌结构。而自然界遵循最小阻力原则，即所有的物质都会沿着最小阻力路径运动。这说明风在通过这些微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。”

通过多次前往新疆、甘肃、内蒙古的沙漠地形开展实地考察，团队分析沙丘形态、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三分之一，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，“格物致知、师法自然，这或许就是大自然给出的降低风阻的‘最优解’。”该研究团队负责人苑伟政教授对记者说出了如此选择的缘由。

库姆塔格沙漠沙垄形状特征。

与此同时，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，实现多层高深异构复合微结构的精确制造。又自主研发、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。经多轮试验与结构优化，最终国家权威机构出具检测报告表明，“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。”

苑伟政表示，“希望通过科技成果转化，让该技术早日在大飞机、高铁、风力发电等多个领域投入使用，为节能减排、助力实现‘双碳’目标提供新的解决方案。”

仿沙垄舌形分形结构设计图。

仿沙垄舌形微纳结构电镜照片。

仿沙垄分形微纳结构剖面电镜照片。

（文中图片由卢迪和该科研团队提供）