要約:
コロラド大学ボルダー校の研究者らは、材料内部の微小な振動を利用して空気の流れを調整する新しい方法を提案しました。将来的には、航空機の形状を変えることなく乱流や抗力を低減し、燃費の向上が期待できる。
旅客機は時速約 640 マイルの速度で巡航できます。翼の表面近くの空気によって乱流境界層が形成され、飛行抵抗が増大し、飛行効率が低下し、燃料消費量が増加します。民間航空機は国境を越える飛行で 10,000 ガロンを超える燃料を消費するため、効率がわずかに向上するだけでも航空会社にとって大幅なコスト削減につながる可能性があります。
コロラド大学ボルダー大学の航空宇宙工学科学部教授であるマフムード I. フセイン氏と彼のチームは、別の道を模索しています。抗力を制御するために航空機の外側の輪郭を再形成するだけでなく、表面の下に人工合成材料を配置し、その材料によって生成される微細な振動を利用して気流に影響を与えることで、乱流を低減し、燃費を向上させることができます。
フセインのチームは最近、「Physical Review」に論文を発表しました。
フセイン氏は、航空産業の誕生以来、抗力を制御するという主流の考え方は航空機の形状を変えることであったと語った。今回、研究者らは新しいコンセプトを提案した。それは、空気流と動的に相互作用して表面抗力に影響を与える材料を使用し、前例のない方法で航空機の性能を向上させるというものである。フセインは、航空宇宙工学科学部での任命に加えて、物理学科でも兼任しており、材料科学および工学プログラムに所属しています。
この研究の核となるのは「フォノン」です。フォノンは構造全体の巨視的な動きではなく、物質内で発生する極めて小さな振動です。これらの動きの大きさは小さいですが、制御できれば、材料の表面と流れる空気の相互作用の仕方が変わる可能性があります。
これらの内部振動に関する研究はフォノニクスと呼ばれます。フセインは 20 年以上にわたってこの分野の発展促進に携わっており、2011 年には「フォノニクス 20xx」カンファレンス シリーズの設立に貢献しました。このカンファレンス シリーズは、現在この分野の研究者にとって重要な国際交流プラットフォームとなっています。
2015 年、フセインは「フォノン サブサーフェス」という概念を提案しました。これは、材料の表面の下に特別に設計された構造を配置し、表面と流体の界面での振動を受動的に制御できるようにするものです。過去には、彼のチームや他の研究者が開発した設計は、単一の周波数でのみ機能することがよくありました。
最新の研究では、フォノン表面をコイル状構造に設計することで、その効果をある周波数範囲に拡張できることが示されています。 「超共振」として知られるこの現象は、初期の設計の大きな制限を解決します。これにより、構造が実際の乱流に見られるより広範囲の周波数成分と相互作用できるようになります。
フセイン氏は、チームは当初 1 つの周波数しか扱えなかったが、後により広範囲の周波数をカバーしたいと考えたと述べました。これは、現実世界の乱気流がこのブロードバンド方式で生成される仕組みだからです。現在、この目標は達成されました。コイル状フォノン構造は、層流制御戦略の長年の限界を打ち破ります。
「散乱のない干渉」は別の問題に対処します。研究者は、表面下のフォノンを単一の場所に配置するだけでなく、複数の構造を格子状または格子状に配置して、航空機の翼や極超音速機の胴体の表面など、より広い領域にわたって気流の下流にその影響を拡大することができます。
フセイン氏は、このアプローチにより効果的な下流制御が可能になると述べました。ダウンストリーム制御とブロードバンド制御は、10 年以上前にこのテクノロジーが導入されて以来、このテクノロジーの 2 つの主要な制限となっていましたが、チームは現在、これらの問題の両方を解決しています。
フセイン研究室の材料科学と工学の博士課程の学生であり、両方の論文の共著者であるアダム・ハリス氏は、2 つの進歩は相互に補完し合っていると指摘しました。散乱のない干渉は、フォノン表面下流の不安定な流れ場の空間的挙動を減衰する方法を提供します。超共振により、制御が有効となる周波数範囲が広がります。この 2 つの組み合わせにより、元のフォノン表面下の概念が実際の流れ環境で必要とされる柔軟性に近づきます。
現時点では、これらの結果は主に計算研究から得られていますが、フォノン表面はもはや完全に理論段階にはありません。世界中の研究チームが実用的な物理プロトタイプを作成し、風洞試験に向けて進んでいます。
フセイン氏は、チームは「流量制御は露出した表面の形状を変えること、または近年ではアクティブなアクチュエーターに依存することしかできない」という従来の考え方を打破したいと述べた。フォノンサブサーフェスを使用すると、翼や胴体は元の形状、平坦性、受動的特性を維持しながら、その下の材料は高度にターゲットを絞った方法で空気流と相互作用するように設計されています。
現在の研究は主に航空宇宙分野を対象としていますが、超共鳴と散乱のない干渉の潜在的な用途は航空機に限定されません。フセイン氏は、船舶、パイプライン、タービン機械、および乱気流の影響を受けるあらゆるシステムが恩恵を受ける可能性があると信じています。実際、どちらのアイデアもフロー制御を超えて応用できる可能性があります。
関連する研究には極超音速流の問題も含まれており、米国国防総省海軍研究局による 750 万米ドルの 5 年間にわたる学際的な大学研究プログラムによって支援されています。
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