研究表明定制表面振动可以提高飞行器的空气动力性能

一架客机以每小时1030千米的速度翱翔天际，机翼饱受强风和边界层湍流的冲击，对飞机的运行和效率构成严峻挑战。一项前沿研究通过利用合成的底层材料产生微观振动来抑制这种湍流，从而显著提高燃油效率。

商用飞机单次跨国飞行就要消耗超过10000加仑（约37900升）的航空燃油，因此提高燃油效率可以为航空公司节省大量成本。

在发表于《物理评论X》和《英国皇家学会会刊A》的新论文中，科罗拉多大学博尔德分校航空航天工程科学系的教授马哈茂德·侯赛因及其团队报告了两项使研究更接近现实的发现：超共振和无散射干涉。

侯赛因说道：“自航空业诞生以来，控制阻力的主流范式是通过改变飞行器的形状来实现的。现在，我们有了一种新的概念，即利用能够与气流动态相互作用的材料来影响表面阻力，从而以前所未有的方式提升飞行器的性能。”

从声子到声子亚表面

侯赛因的研究重点是声子——材料内部的微小振动，而不是整个结构的传统振动。尽管这些运动极其微小，但其影响却不容小觑。

驾驭和控制这些内部振动是新兴的声子学领域的基础，侯赛因从二十多年前该领域的早期阶段就开始参与其发展。2011年，他联合创办了“声子学20xx”系列会议，如今该系列会议已发展成为该领域的国际论坛。

2015年，他提出了声子亚表面（PSubs）的概念，这种材料能够被动地操控与流体相互作用的表面振动。此后，他的团队和世界各地的其他研究人员致力于设计能够在单一频率下工作的声子亚表面。

如今，侯赛因证明，通过卷绕声子亚表面，可以操控一系列频率范围内的振动，从而实现一种名为超共振的新现象，这极大地拓展了该技术的潜力。

“我们最初只关注一个频率，并希望最终能够覆盖广泛的频率范围，因为现实世界中湍流的产生方式正是如此。现在我们实现了这个目标。螺旋声子结构克服了层流控制策略中长期存在的局限性。”侯赛因说道。

将效果向下游扩展

无散射干涉技术进一步拓展了这项研究。不再局限于单个位置的脉冲波导，而是可以将多个脉冲波导排列成网格或晶格，从而延缓大面积表面（例如，飞机机翼或高超声速飞行器机身）上的湍流。这项技术使得下游控制成为可能，自十多年前这项技术问世以来，下游控制和宽带控制一直是其主要局限。如今，侯赛因及其团队已经解决了这两个问题。

亚当·哈里斯是侯赛因实验室的材料科学与工程博士生，也是这两篇论文的合著者。他表示，这些进展将这项研究推向了新的高度。研究所取得的成就为解决脉冲波导在实际飞行条件下的有效性这一难题提供了互补的解决方案。“无散射干涉使我们能够衰减声子亚表面下游不稳定性场的空间行为，而超共振则使我们能够拓宽控制作用的频率范围。两者结合，使最初的声子亚表面概念更接近于真实流动环境所需的通用性水平。”哈里斯说道。

从模拟到更广泛的应用

尽管目前的研究仍处于计算阶段，但声子亚表面已不再局限于理论。世界各地的多个研究团队已经构建了功能性物理原型，并正在努力通过风洞实验来验证其有效性。

侯赛因表示：“我们的目标是超越传统的流动控制范式，即仅仅通过改变暴露表面的形状或者使用主动致动器，利用声子亚表面，机翼或机身可以保持光滑，而其下方的材料则经过特殊设计，能够以高度定向的方式与流动相互作用。”

尽管这项研究的重点是航空航天结构，但超共振和无散射干涉技术可能具有更广泛的应用前景。除了飞机之外，这项技术对船舶、管道、涡轮机械以及任何存在湍流问题的领域都至关重要。实际上，这两种技术的应用范围可能远远超出流动控制。