«Акулья кожа» для улучшения аэродинамических характеристик

14 октября 2022 года швейцарская SWISS сообщила, что станет первой пассажирской авиакомпанией, использующей инновационное покрытие AeroSHARK на своих самолетах.

AeroSHARK – совместная разработка Lufthansa Technik and BASF (крупнейшего в мире химического концерна) представляет собой тонкую пленку с едва заметной ребристой текстурой из небольших бугорков – так называемых риблетов (riblets). Пленка состоит из миллионов призматических ребер высотой всего 50 микрометров (для сравнения: толщина человеческого волоса 40-120 мкм), повторяющих естественное строение чешуи акул.

Риблеты (это слово еще не особо распространено в русском языке) – форма продольно обтекаемых ребер с очень острыми кромками, ось которых лежит в направлении потока (см.картинку). Они способствуют уменьшению сопротивления трения на поверхностях с турбулентным течением.

Впервые в коммерческих перевозках эту технологию опробовали на грузовых самолетах Boeing 777F компании Lufthansa Cargo, для которых снижение лобового сопротивления с покрытием AeroSHARK составило более одного процента. Кому-то такой показатель покажется смешным, но в масштабах авиации это очень хороший результат. Для всего парка из десяти самолетов это означает ежегодную экономию около 3 700 тонн керосина и чуть менее 11 700 тонн выбросов CO2, что эквивалентно 48 отдельным грузовым рейсам из Франкфурта в Шанхай.

Чтобы узнать подробности, вы можете заглянуть на официальный сайт компании SWISS и Lufthansa Technik: они там выкладывали интересные видео про разработку и этап нанесения пленки, а внизу во вложениях – забавный рекламный ролик в честь события. Мне бы хотелось затронуть сам факт появления такого исследования, ведь идея микроборозд для снижения трения не так уж нова, как может показаться.

Более сорока лет назад немецкий биолог Вольф-Эрнст Райф при помощи сканирующего электронного микроскопа (новинки для того времени) обнаружил небольшие продольные бороздки на окаменелостях акульей кожи. Похожие микроканавки были особенностью современных быстроплавающих акул – а значит, такое строение, сохранившееся на протяжении нескольких миллионов лет, было эволюционным преимуществом, правда, смысл преимущества был не совсем понятен.

Открытие, казалось бы, важное лишь для биологов, по достоинству смог оценить Дитрих Вольфганг Бехерт – ученый из Немецкого аэрокосмического центра. Работая вместе с Рейфом в области исследования турбулентности, он быстро смог объяснить назначение необычных борозд: подобные микроструктуры уменьшают поверхностное трение в жидкостях и, таким образом, способны снижать сопротивление тела, движущегося в воде или воздухе. Этот вывод совершенно противоречил господствовавшему ранее учению о том, что гладкие поверхности всегда более обтекаемы.

Если говорить совсем простыми словами, то продольные борозды как бы прокладывают потоку путь в нужном направлении, снижая турбулентность и предотвращая поперечный сдвиг, который и повышает трение.

Идею опробовали в самых разных сферах: например, ребристое покрытие использовалось для яхт на соревнованиях и купальных костюмах спортсменов.

Широкомасштабные исследования ребристых пленок в авиационной отрасли начались в 2011 году, тогда инженерам приходилось решать появляющиеся на каждом шагу проблемы. Основные сложности заключались, во-первых, в износостойкости микроребер, находящихся в агрессивных внешних условиях, а, во-вторых, в правильной ориентации «чешуек». Дело в том, что поток обтекает разные части самолета по-разному. Но чтобы пленка была эффективна, бороздки должны быть ориентированы вдоль течения, иначе они, наоборот, увеличат сопротивление воздуха.

Выводы исследований были неоднозначны, так что программу продлили сначала до 2014, а затем до 2016 года, когда, наконец, были получены положительные результаты. Параллельно появились хорошие новости вне официальных экспериментов: некоторые команды, участвовавшие в гонках Red Bull Air Race, успешно использовали пленку из «акульей кожи» для повышения характеристик своих спортивных самолетов.

В 2017 году компания BASF разработала и провела лабораторные испытания первого прототипа риблет-пленки авиационного класса на основе требований Lufthansa Technik. А в 2019 году в рамках полевых испытаний более 500 квадратных метров нового покрытия было нанесено на Boeing-747, чтобы собрать данные о длительном использовании пленки на рабочем борте компании.

После заключительных испытаний, которые успешно завершились к 2020 году, наконец, было объявлено о масштабном применении AeroSHARK в компаниях SWISS и Lufthansa в 2021-2022 гг.

В общем, за новой технологией всегда стоят интересное научное открытие и долгие годы исследований. Зато теперь мы можем писать громкие заголовки и смотреть видосики про акулу в самолете, так что любите… акул? И самолеты :3

P.S. 1) Коротенькое видео от SWISS airlines про применение нового покрытия – https://www.youtube.com/watch?v=xX_aYUXjVhM
2) Официальный блог авиакомпании – https://www.swiss.com/magazine/en/inside-swiss/sustainability/aeroshark-how-we-further-reduce-our-carbon-emissions