Десятилетиями авиационные инженеры бились над проблемой срыва потока на крыле — опасного явления, при котором резко падает подъемная сила на больших углах атаки.

Срыв потока (airfoil stall) — это ситуация, когда воздушный поток перестает плавно обтекать крыло, резко теряя энергию и «отрываясь» от поверхности. В результате подъемная сила падает, а самолет может потерять управление. Обычно происходит на больших углах атаки (когда крыло сильно наклонено относительно потока).

Обычные вихрегенераторы (ВГ) хоть и помогают, но создают лишнее сопротивление в крейсерском режиме, увеличивая расход топлива. Уменьшение их размеров снижает потери, но ослабляет вихри, и они перестают удерживать поток от отрыва. Нужно было найти конструкцию, которая сохранит эффективность, но уменьшит негативные последствия.

Недавно группа ученых под руководством доцента Чжан Пэна из Китайского гражданского авиационного университета предложила новое решение, вдохновленное птичьими перьями — «елочный» массив микроканавок. Эта структура создает мощные вихри с минимальными потерями. Исследование не только показало, от чего зависит ее эффективность, но и объяснило, как она оттягивает срыв потока.

Результаты опубликованы в издании Chinese Journal of Aeronautics.

Суть метода в следующем:

• Множество канавок идут параллельно потоку, но под углом к нему.
• Левые и правые наклонные канавки чередуются, образуя «елочку».

Такой массив работает как набор миниатюрных вихрегенераторов, — объясняет Чжан Пэн. — Несмотря на малый размер, вихри остаются сильными за счет суммарного эффекта, а сопротивление почти не растет.

С помощью численного моделирования ученые выяснили, какие параметры важнее всего. Лучший результат достигается при глубине канавок в 0,00135 от хорды крыла и угле наклона в 45 градусов — рабочий диапазон углов атаки расширяется на 28,57%. При этом на малых углах аэродинамика почти не страдает.

Как это работает? Из-за разницы давлений в канавках рождаются мелкие вихри, которые сливаются в пару мощных. Они перемешивают пограничный слой с основным потоком, передавая ему энергию. Это помогает потоку бороться с обратным градиентом давления и не отрываться даже на критических углах.

Пока данные получены в simulations, но уже идут испытания в аэродинамической трубе. Следующий шаг — оптимизация для коммерческих самолетов и дронов.

Мы пробуем интегрировать такие структуры в крылья с помощью 3D-печати, — говорит Чжан Пэн. — Хотим, чтобы устойчивые к срыву крылья стали такими же обычными, как полет птиц.

Главный плюс — потенциальное снижение расхода топлива. Если «елочные» канавки действительно обеспечат контроль срыва без роста сопротивления, авиакомпании смогут экономить миллионы долларов на топливе. Для дронов это еще важнее — малые аппараты сильнее страдают от срывов, а дополнительные потери для них критичны. Также метод может упростить конструкцию крыльев — возможно, удастся отказаться от части механизации.

Пока исследование опирается на численные модели, а эксперименты только начинаются. Реальные условия (турбулентность, обледенение, износ поверхности) могут сильно повлиять на эффективность канавок. Кроме того, неясно, как поведет себя такая структура на трансзвуковых скоростях, где пограничный слой ведет себя иначе.

Ранее ученые разобрали по косточкам полет голубя.