利用微小的隐形振动调控气流 或可让飞机更省油

客机巡航时的速度可达约每小时640英里。机翼表面附近的空气会形成湍流边界层，这种湍流会增加飞行阻力，降低飞行效率，并带来更高的燃油消耗。商业飞机一次跨国飞行的耗油量可超过1万加仑，因此即使效率仅小幅提升，也可能为航空公司节省可观成本。

科罗拉多大学博尔德分校航空航天工程科学系教授马哈茂德·I·侯赛因及其团队正在探索另一条路径：不再仅靠重新塑造飞机外部轮廓来控制阻力，而是在表面下方布置经过工程设计的合成材料，借由材料产生的微观振动影响气流，进而降低湍流并改善燃油经济性。

侯赛因团队近日在《Physical Review X》和《Proceedings of the Royal Society A》发表论文，介绍了两项使这一构想更接近实际应用的进展，分别称为“超级共振”和“无散射干涉”。

侯赛因表示，自航空业诞生以来，控制阻力的主流思路一直是通过改变飞行器外形实现。如今，研究人员提出了一种新概念：利用可与气流动态相互作用的材料来影响表面阻力，以前所未有的方式提升飞行器性能。除在航空航天工程科学系任职外，侯赛因还兼任物理系职务，并隶属于材料科学与工程项目。

这项研究的核心是“声子”。声子并非整个结构的宏观运动，而是材料内部发生的极微小振动。虽然这些运动的幅度很小，但若能对其进行控制，便可能改变材料表面与流动空气之间的相互作用方式。

围绕这些内部振动展开的研究被称为“声子学”。侯赛因已参与推动该领域发展二十余年，并于2011年协助创办“Phononics 20xx”系列会议，该会议如今已成为该领域研究人员的重要国际交流平台。

2015年，侯赛因提出“声子亚表面”概念，即在材料表层下布置经过特殊设计的结构，使其能够被动控制表面与流体交界处的振动。过去，他的团队及其他研究人员开发的相关设计通常只能在单一频率下发挥作用。

最新研究显示，将声子亚表面设计成盘绕结构，可以使其作用扩展到一段频率范围内。这种被称为“超级共振”的现象，解决了早期设计的一项主要局限：它使结构能够与真实湍流中更广泛的频率成分相互作用。

侯赛因说，团队最初只能处理一个频率，后来希望覆盖更宽的频率范围，因为现实世界中的湍流正是以这种宽频方式产生。如今，这一目标已经实现。盘绕式声子结构突破了层流控制策略长期存在的限制。

“无散射干涉”则针对另一项难题。研究人员不再只在单一位置放置一个声子亚表面，而是可将多个结构以网格或晶格形式排列，使其影响沿气流下游方向延伸至更大面积，例如飞机机翼或高超音速飞行器机身表面。

侯赛因表示，这种方法能够实现有效的下游控制。自十多年前该技术提出以来，下游控制和宽频控制始终是其两大关键限制，而团队现已解决了这两个问题。

侯赛因实验室材料科学与工程博士生、两篇论文的共同作者亚当·哈里斯指出，这两项进展彼此互补。无散射干涉提供了一种削弱声子亚表面下游不稳定流场空间行为的方法；超级共振则拓宽了控制可发挥作用的频率范围。二者结合，使最初的声子亚表面概念更接近真实流动环境所需要的灵活性。

目前，这些成果主要来自计算研究，但声子亚表面已不再完全停留在理论阶段。世界各地的研究团队已经制造出可工作的实体原型，并正向风洞测试迈进。

侯赛因表示，团队希望突破“流动控制只能依靠改变暴露表面形状，或近年来依靠主动执行器”的传统思路。采用声子亚表面后，机翼或机身可保持原有外形、平整度和被动特性，而其下方材料则经过专门设计，能够以高度针对性的方式与气流发生相互作用。

尽管当前研究主要面向航空航天领域，超级共振和无散射干涉的潜在用途并不限于飞机。侯赛因认为，船舶、管道、透平机械以及任何受湍流影响的系统，都可能从中受益；事实上，这两项思路甚至可能应用于流动控制以外的领域。

相关研究还涉及高超音速流动问题，并获得美国国防部海军研究办公室一项总额750万美元、为期五年的多学科大学研究计划支持。