Физики предложили обклеивать крылья самолетов искусственными акульими чешуйками
Американские физики предложили улучшить аэродинамические характеристики крыла самолета, покрыв его поверхность небольшими чешуйками, по форме повторяющими геометрию чешуи акулы. Оказалось, что с помощью таких элементов можно повысить отношение подъемной силы к силе аэродинамического сопротивления при небольших углах атаки более, чем в 4 раза, сообщают ученые в Journal of the Royal Society Interface.
Изменение геометрии крыла самолета — один из способов улучшить его аэродинамические характеристики; в частности, это позволяет уменьшить силу сопротивления воздуха и увеличить подъемную силу. К нужному эффекту может привести как использование дополнительных элементов, таких как закрылки и законцовки, так и модификация геометрии поверхности крыла. Такие изменения не требуют дополнительных источников энергии и улучшают аэродинамику крыла только за счет взаимодействия потока воздуха с поверхностью крыла. Как правило, такие аэродинамические элементы основаны на изменении направления воздушных потоков и формировании в них небольших вихрей.
Американские ученые под руководством Джорджа Лаудера (George V. Lauder) из Гарвардского университета предложили использовать для снижения аэродинамического сопротивления зубчатые чешуйки, аналогичные тем, которые покрывают кожу акул. Проанализировав фотографии чешуек, ученые построили трехмерную модель и напечатали искусственные элементы аналогичной формы из фотополимера на 3d-принтере.
Такими искусственными чешуйками авторы работы покрыли модель крыла самолета, выстроив их в один или четыре ряда вдоль крыла. Для оценки их эффективности авторы работы оценили изменения в подъемной силе и силе аэродинамического сопротивления, к которым приводит нанесение на поверхность крыла чешуек. Анализ проводился экспериментально (с помощью велосиметрии движущихся частиц в обтекающем крыло потоке воды с соответствующими воздушному потоку числами Рейнольдса), а также с помощью компьютерного моделирования.
Оказалось, что использование чешуек действительно приводит к одновременному снижению аэродинамического сопротивления и увеличению подъемной силы. Эффект менее выражен для самых маленьких углов атаки (когда плоскость крыла очень близка к плоскости воздушного потока), достигает максимума при угле атаки около 5 градусов, после чего снова начинает падать. Однако, если сравнивать аэродинамическое поведение чешуйчатого и плоского крыльев, то наибольшее относительное увеличение характерно для самых маленьких углов атаки (около 1 градуса) и приводит к увеличению отношения подъемной силы к силе сопротивления в 4,2 раза.
Такое поведение ученые объясняют механизмом, который включает в себя два процесса. Во-первых, происходит разделение объемов воздуха в области за каждой чешуйкой, что приводит к образованию неоднородного распределения давлений и увеличению эффективности засасывания воздуха. Во-вторых, в направлении потока формируются вихри, которые компенсируют потерю импульса из-за трения воздуха о поверхность крыла.
Также вместо отдельных чешуек ученые предложили использовать один общий протяженный элемент, который приводит не к формированию отдельных небольших вихрей после чешуек, а одного большого вихря. Такой подход позволяет расширить диапазон эффективного аэродинамического поведения крыла на большие углы атак: если отдельные чешуйки постепенно теряют свою эффективность при углах атаки более 8 градусов, то одна протяженная позволяет почти в два раза увеличить отношение подъемной силы к силе сопротивления и при углах атаки около 13 градусов. Кроме того, ученые отмечают, что технологии получения протяженных длинных чешуек и нанесения их на поверхность значительно проще, поэтому, вероятно, именно такие элементы более перспективны для дальнейшего использования.
Помимо использования чешуек специальной формы, у акул существует множество других механизмов для улучшения своих гидродинамических характеристик. В частности, чтобы ускорить свое движение и не тратить на это много сил, некоторые акулы плавают на боку, а другие при этом еще и быстро качают головой. Стоит отметить, что не в первый раз особенности строения тела акулы ученые используют для разработки элементов, позволяющих снижать сопротивление, правда до этого их всегда использовали для оптимизации движения в воде.
Ранее американская компания Edge Aerodynamix разработала самоклеющиеся вихрегенераторы, призванные ослаблять или устранять отрыв потока на аэродинамических поверхностях самолета. Благодаря таким «наклейкам» может улучшиться аэродинамика самолетов, что приведет к снижению потребления топлива.
Александр Дубов
Редкий процесс рассмотрели в совместном массиве данных экспериментов CMS и ATLAS
На Большом адронном коллайдере впервые нашли убедительные следы редкого распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Его увидели со статистической точностью в 3,4σ в объединенных данных экспериментов CMS и ATLAS по протон-протонным столкновениям за 2015-2018 года. Обнаруженный сигнал совпал с предсказаниями Стандартной модели, но в будущем подробное изучение распада поможет в поиске различий между теорией и экспериментом. О своих результатах физики рассказали на конференции LHCP-2023, подробнее об открытии сообщается в сопровождающей записке. Бозон Хиггса — знаменитая элементарная частица, объясняющая существование инертной массы у ряда частиц Стандартной модели. Существование этой частицы теоретически предсказал Питер Хиггс еще в 1964 году, а в 2012 году ее обнаружили эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели, но на этом его исследование не закончилось. Те же самые ATLAS и CMS продолжили изучать свойства бозона, в числе которых — каналы его распада и сила его взаимодействия с другими частицами. Почти все предсказываемые Стандартной моделью свойства бозона Хиггса удалось подтвердить. Но некоторые из распадов этой частицы чрезвычайно редкие, поэтому чтобы увидеть и изучить их необходимо накопить особенно большой массив экспериментальных данных. Один из таких распадов — канал в один переносчик слабого взаимодействия Z-бозон и один фотон. Согласно теории, для бозона Хиггса с массой в 125 гигаэлектронвольт доля этого распада среди всех остальных — примерно 0,15 процента. Именно в такие редкие распады физики изучают в поисках расхождения экспериментальных данной со Стандартной моделью, у которой не получается объяснить ряд проблем в современной физике. Отклонение вероятности такого распада от стандартных теоретических предсказаний могло послужить аргументом в пользу моделей, в которых бозон Хиггса на самом деле нейтральный скаляр или сложная частица. Это же может указать на правдивость теорий с дополнительными еще не открытыми бесцветными заряженными частицами, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса через петлевые поправки. Теперь же ученым впервые удалось рассмотреть распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон в результатах экспериментов CMS и ATLAS. Физики проанализировали данные, накопленные за 2015-2018 года в ходе протон-протонных столкновений при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт. Z-бозон искали через продукты уже его распада на мюонную или электрон-позитронную пару с массой больше 50 мегаэлектронвольт. Сам распад идентифицировали через пик инвариантной массы пары Z-бозона и фотона в окрестности массы бозона Хиггса — 125 гигаэлектронвольт. Для увеличения чувствительности анализа данных к изучаемому распаду все события-кандидаты разделяли на несколько категорий в зависимости от канала рождения бозона Хиггса, накладывали ограничения на кинематику продуктов распада, а также использовали машинное обучение. В результате физики увидели искомый распад со статистической точностью в 2,2σ для данных ATLAS и 2,6σ для данных CMS, что в сумме дало статистическую точность в 3,4σ. Также ученые оценили силу сигнала µ — отношение наблюдаемого в эксперименте произведения сечения и вероятности распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон к предсказываемому Стандартной моделью значению. Полученное значение µ = 2.2 ± 0.7 хоть и говорит о результате в два раза больше теоретических предсказаний, но из-за высокой погрешности согласуется с теорией со статистической точностью в 1,9σ. При этом доля изучаемого распада бозона Хиггса среди других его распадов оказалась равной (3.4 ± 1.1) × 10−3. Таким образом, для проверки предсказаний Стандартной модели в данном канале распада все еще требуется больше экспериментальных данных. Это далеко не первый редкий распад бозона Хиггса, который зарегистрировали на Большом адронном коллайдере. К примеру, ранее те же эксперименты CMS и ATLAS увидели канал распада на два мюона. А о том, как и почему для изучения таких редких распадов собираются строить электрон-позитронную хиггсовскую фабрику, можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу».