Как «акулья кожа» помогает уменьшить расход топлива у самолетов

Взгляните на любую подводную лодку: совершенно очевидно, что по очертаниям она напоминает акулу. Так сделано не зря: матушка-природа подсказывает человеку, как построить плавсредство, чтобы оно имело минимальную сопротивляемость водному потоку. И это не единственный случай, когда современные технологии создаются на основе естественных явлений, «конструкций». Еще один пример — клюв зимородка, который помогает ему входить в воду при рыбной ловле без брызг. Это действо вдохновило конструктора скоростных поездов и в итоге на свет появился Shinkansen. Состав имеет уникальную обтекаемость, позволяющую ему набирать скорость свыше 300 км/ч.

Но вернемся к акулам: у них есть еще одна особенность, хорошо известная человеку. Это кожа, по ощущениям напоминающая наждачную бумагу. Кстати, данное свойство применили прямо «по назначению»: кожу используют в качестве покрытия разделочной кухонной доски, чтобы измельчать продукты.

Как устроена акулья кожа и при чем тут самолет

«Эпидермис» представляет собой пластины в виде ромбиков, заканчивающихся шипом, который торчит снаружи. По своей структуре он больше похож на приплюснутый зуб в виде коронки, чем на чешую. «Работает» она также, как у кошки шерсть. Если провести от хвоста к голове, покажется шершавой, наоборот — гладкой. Минеральная часть акульих чешуек — дентин, по компонентам близкий к кости. А состоит он из апатита, заключенного в коллаген. Вот такой очень прочный слоеный «пирог».

Однако, он не только защищает рыбину от внешних повреждений, а также паразитов. Кожа характеризуется особым расположением коронок-зубчиков, гарантирующих акуле минимальное сопротивление при движении в водной толще. Микроскопические впадинки и выступы серьезно снижают турбулентность: потоки не завихряются. В отличие, например, от костистых рыб, акула, когда плывет, не создает звуковых волн и движется практически беззвучно, что помогает внезапно нападать на добычу. Ученые подсчитали — структура чешуек снижает сопротивляемость водным потокам примерно на 8%.

Лабораторные исследования

Кому первому пришла в голову идея покрыть материалом, имитирующим акулью кожу, плоскости летательных аппаратов, не известно. Но вплотную этим сегодня занимается компания MicroTau. Сначала провели лабораторные испытания с моделью Airbus320. После того, как 70% его поверхности было покрыто инновационным материалом, сопротивляемость воздушным потокам упала на 4%. Однако, специалисты посчитали, что в реальных условиях цифра будет меньше — свое влияние окажет влажность, маневрирование машины и т. п. Тем не менее, даже 2-3% тоже неплохой результат, если его умножить на количество потребляемого топлива и число самолетов в мире. Вредные выбросы в атмосферу снизятся.

Что в реальности

Одни из первых новое покрытие испытали военные: из 6 тестов провели уже 4 на транспортнике Lockheed Martin C-130J Super Hercules. После пробных полетов выводы — только положительные: применение материала увеличивает дальность и снижает расход горючего.

На сверхзвуковых скоростях эффект еще круче: покрытие не только уменьшило сопротивление потоку, но и спокойно выдержало нагрузку и не разрушилось. В роли испытуемого — XВ-1 производства Boomsupersonic, развивший 1460 км/ч. Пленки, разработанные MicroTau, изготавливаются с помощью 3D-принтеров и воспроизводят структуру акульей кожи с погрешностью менее одного нанометра. Поэтому сформированный слой стойко выдерживает вибрации и разницу в давлении.

Проблемы и перспективы

Главную сложность представляет поддержание «чешуи» в чистоте: малейшие песчинки, пылинки, кусочки льда, насекомые резко снижают эффективность покрытия. Чтобы добиться заметного уменьшения сопротивляемости воздуху, нужно покрыть материалом от 30% поверхности летательного аппарата. Но тут возникает еще одна «закавыка»: изменения в конструкции воздушного судна возможны только после нескольких тысяч часов испытательных полетов. Этого требуют, например, американские FAA.

Однако, как утверждают в MicroTau, их изобретение не обязательно ограничивается самолетами. Датчане из компании Vestas провели ряд опытов с использованием покрытия на лопастях ветрогенератора. В итоге КПД вырос на 3%. А еще есть костюмы, хорошо известные спортсменам-пловцам, под названием Speedo Fastskin. Их характерная особенность заключается в имитации кожи акулы. Применение структуры на одеянии помогло установить сто восемь мировых рекордов. Сегодня специалисты подумывают о внедрении такого покрытия в автомобильную промышленность и даже архитектуру. Посмотрим!