盖世汽车讯 一架客机以640英里/小时（约1,030公里/小时）的速度翱翔在天空中，机翼承受着强劲气流和边界层湍流的冲击，对飞机的运行和效率构成挑战。据外媒报道，科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado at Boulder）Ann及H.J. Smead航空航天工程科学系教授Mahmoud I. Hussein的团队最新研究旨在通过工程化设计的微观振动来抑制这种湍流。这些振动来自合成的近表层材料，有望大幅提升燃油效率。

商用飞机单次横跨美国大陆的飞行就会消耗超过10,000加仑（37,900升）航空燃油，因此，提高燃油经济性可以为航空公司节省大量成本。

在发表于期刊《Physical Review X》和《Proceedings of the Royal Society A》的两篇新论文中，Mahmoud I. Hussein及其团队报告了两项突破性发现，使这项研究距离实际应用更近了一步：超共振（super-resonance）和无散射干涉（scatterless interference）。

Mahmoud I. Hussein表示：“自航空业诞生以来，主流范式一直是仅通过改变飞行器外形来控制阻力。如今，我们提出了一种全新理念，即利用能够与气流动态交互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性能。”

图片来源：Mahmoud I. Hussein等人 / 科罗拉多大学博尔德分校

从声子到PSub

Mahmoud I. Hussein的研究重点是声子（phonons）——材料内部产生的微小振动，而不是整个结构的传统振动。尽管这种运动的幅度极其微小，但其影响却不容小觑。

利用并控制这些内部振动，是新兴声子学（phononics）领域的基础。20多年前，该领域尚处于早期阶段时，Mahmoud I. Hussein便参与了其发展。2011年，他共同创办了Phononics 20xx系列会议，该系列如今已发展成为声子学领域的国际论坛。

2015年，他提出了声学子表面（phononic subsurfaces，PSubs）概念，即能够被动操控与流体流动相互作用的表面振动的材料。此后，Mahmoud I. Hussein团队以及世界各地的其他研究人员陆续设计出PSub，使其能够在单一频率下工作。

如今，Mahmoud I. Hussein发现，通过将PSub设计成盘绕结构，可以操控一定范围内的多种频率振动，从而实现一种名为超共振的新现象，大幅拓展了这项技术的应用潜力。

Mahmoud I. Hussein说道：“我们最初从单一频率入手，希望最终能够覆盖更宽的频率范围，因为现实世界中的湍流就是以这种方式产生的。现在，我们已经实现了这一目标。盘绕式声子结构突破了层流控制策略长期存在的一项限制。”

将控制效果延伸至下游

无散射干涉则进一步推动了这项技术的发展。与仅在单一位置设置一个PSub不同，可以将多个PSub以网格或晶格形式排列，从而在大面积表面上延缓湍流的产生，例如飞机机翼或高超声速飞行器机身表面。

Mahmoud I. Hussein表示：“这使有效的下游控制成为可能。下游控制和宽频带控制一直是这项技术自十多年前提出以来面临的关键限制。现在，我们已经解决了这两个问题。”

Adam Harris是Mahmoud I. Hussein实验室的材料科学与工程博士生，同时也是两篇论文的共同作者。他表示，这些进展将相关研究提升到了新的阶段。

Adam Harris说道：“这两个新里程碑为解决PSub在实际飞行条件下有效性这一难题提供了相互补充的解决方案。无散射干涉为我们提供了一种方法，可以衰减PSub下游不稳定性场的空间变化；而超共振则使控制能够覆盖更宽的频率范围。两者结合，使最初的PSub概念更接近现实流动环境所需的多功能性水平。”

从模拟走向更广泛应用

尽管目前的研究仍处于计算模拟阶段，但PSub并非仅停留在理论层面。世界各地已有多个研究团队制造出具有实际功能的物理原型，并正在通过风洞试验验证其有效性。

Mahmoud I. Hussein说道：“我们的目标是突破传统范式，即流动控制必须完全依靠改变暴露表面的形状，或者更近期采用主动执行器。借助声学子表面，机翼或机身可以保持光滑，而其下方的材料则经过工程化设计，使其能够以高度针对性的方式与气流发生相互作用。”

尽管目前研究主要聚焦于航空航天结构，但超共振和无散射干涉可能具有更广泛的应用前景。

Mahmoud I. Hussein表示：“除了飞机之外，这项技术还可能对船舶、管道、涡轮机械等领域具有重要意义——凡是存在湍流问题的地方都可能适用。事实上，这两种理念的应用范围甚至可能超越流动控制本身。”

该研究的其他共同作者包括目前就职于Aerospace Corporation的Armin Kianfar（MAeroEngr'20）；马里兰大学帕克分校的Christoph Brehm；以及来自西班牙加泰罗尼亚理工大学的Daniel Yago和David Roca。