肋状结构仿生技术应用于航空航天领域，显著提升效率

肋状结构是一种仿生技术，其灵感来自鲨鱼的皮肤结构，肋状结构是无数微米大小的“肋”，当其与流动方向对齐时，流体动力阻力可减少高达 8%，从而降低飞机、火车、汽车和船舶等的燃料消耗和排放，同时还具有相应的降噪效果。管道中流体摩擦减少高达 8%，可提高流体输送、燃烧和其他工业过程的效率。肋状结构应用于风力涡轮机叶片和螺旋桨，可使功率输出提高高达 7%，并显著降低泵和压缩机的功耗。

自 20 世纪 80 年代以来，对沟槽的研究稳步增加。沟槽可以是直线或曲线，可应用于各种材料的二维或复杂三维表面，包括金属、聚合物和复合材料。沟槽可通过薄膜和涂层实现，也可使用激光直接雕刻到表面，或通过在成型工具中加工负沟槽来成型到表面。（请注意，正如CW姊妹杂志《Additive Manufacturing Media》所讨论的那样，沟槽状特征也可通过增材制造添加到零件中。）

Bionic Surface Technologies（BST，奥地利格拉茨）成立于 2008 年，创始人是两名工程系学生 Peter Adrian Leitl（首席执行官/首席技术官）和 Andreas Flanschger（首席执行官），他们开始研究和开发用于工业的肋条技术。此后，该公司开发了先进的计算流体动力学 (CFD) 和物理测试能力，可根据应用设计和定制肋条表面，目前已在全球完成 800 多个项目。

由于要求复合材料提供除轻量化之外的多种功能以提高可持续性，因此使用肋状薄膜、涂层或模制表面纹理可以提供独特的机会来提供新的解决方案。

应用程序的演变

BST 的第一个重要项目是在 2009 年，当时他们将肋条作为薄膜应用于每年参加红牛飞行世界锦标赛的特技飞机上。“飞行员对性能非常满意，我们只在 4 年后才将其移除，因为飞机换了新品牌，”Flanschger 说。“它至少可以持续 5-6 年。”肋条被用于其他此类飞机，BST 继续收集和分析其设计和性能数据。

第二个关键应用是赛车运动。奥迪运动（德国内卡苏尔姆）于 2010 年开始在 GT 赛车上使用肋状胶片进行 BST 风洞测试。“结果令人印象深刻，三年来我们在赛车运动中取得了巨大成功，”Flanschger 说。“这是建立该技术的另一个重要步骤。但我们不能公开谈论这些计划。然后在 2013 年，许多赛车运动禁止使用肋状胶片，因为它们具有这样的优势，但并非所有车队都可以使用，因为没有其他供应商。”

然而，2014 年，通过与飞机服务提供商汉莎技术公司（德国汉堡）的合作，另一项关键应用开始了，最终催生了其 AeroSHARK 技术。

AeroSHARK

尽管 BST 被禁止深入讨论 AeroSHARK 技术，但汉莎航空技术公司已在视频和网站上广泛报道了该技术。它被描述为一种由 BASF Coatings（德国明斯特）生产的耐用薄膜，具有数百万条 50 微米高的棱镜形肋条。六家航空公司已将 AeroSHARK 应用于波音 747 和 777 飞机，已记录了 138,000 多个飞行小时，节省了 7,500 多公吨的喷气燃料，并避免了 26,000 多公吨的二氧化碳排放。

“你可以像贴膜或贴箔一样贴上它，”Flanschger 说。航空公司已经将他们的制服贴上贴花，尽管 AeroSHARK 复杂得多，但汉莎技术公司报告称，一旦投入使用，节省的燃油成本将在短短 2 年内带来投资回报。

“2022 年，BST 将定制的肋条薄膜应用于商务喷气机的所有表面（约 80 平方米），”Flanschger 说道。“尽管这包括非常复杂的形状，但薄膜很容易处理，两个人只需 2.5 个工作日即可完成。”他指出，BST 测量到燃料消耗减少了 9%（而大型商用飞机的机身仅减少了 1%），但这也包括小型喷气机的机翼、发动机舱和尾翼上的肋条。“我们没有在方向舵或控制表面上使用它们，因为尚未完全了解如何优化这些结构的肋条，”他解释道。不过，很明显机身只是可能性的开始。

“如果你想在机翼和尾翼上安装肋条，那么问题就是如何获得认证，”Flanschger 说道，“因为你有额外的负载，这比只在机身上安装肋条要复杂得多。”机翼的认证测试也很耗时且成本高昂。阻力的减少也取决于飞机。“燃油消耗的减少取决于飞行高度，这决定了空气密度，也取决于飞行负载，”Flanschger 说道。“因此，对于中型商用飞机，你可以节省 4-5% 的燃油。”

汉莎航空创新跑道系列文章报道称，汉莎技术公司已经计划为其他机型以及机身以外的其他表面认证 AeroSHARK。与此同时，除了 Novaflex AeroSHARK 薄膜外，巴斯夫还开发了第二种用于风力涡轮机叶片的肋状薄膜 Novaflex BladeUp。

风力涡轮机、直升机旋翼叶片

2022 年，巴斯夫涂料公司宣布与风力涡轮机维护公司 Omega-Tools GmbH（德国里特胡德）和涡轮机运营商 Energiekontor AG（不来梅）合作，为后者的涡轮机叶片配备 Novaflex BladeUp 薄膜。该公司报告称，肋条减少了叶片表面空气湍流的形成，使德国下萨克森州伊尔塞德的初始 1.3 兆瓦 SWT 1,300 涡轮机（由 AN Bonus 生产）的功率输出提高了 3%。Omega-Tools 补充说，安装薄膜可以在涡轮机无需长时间停机的情况下完成。

巴斯夫正致力于将 Novaflex BladeUp 扩展到其他风力涡轮机和叶片制造商，并相信肋状薄膜可以集成到叶片制造过程中，使新型风力涡轮机能够产生更高的电力产量。

Flanschger 指出，BST 已在其他叶片结构上试验了肋条，包括直升机上的旋翼叶片。“在那里，我们看到了巨大的改进——直升机的升力增加了 5% 以上。这对于前向飞行尤其有趣。”与固定翼飞机不同，前进空速的变化会导致“升力不对称”，其中旋转旋翼叶片的一半圆盘会进入气流，另一半会随之移动。这会增加前进侧的空速，产生更大的升力，并降低后退侧的空速，从而带来“后退叶片失速”的风险，这会导致直升机不受控制地滚动和俯仰。目前，这个问题是通过各种设计和控制措施来解决的，包括让叶片“拍打”。Flanschger 估计肋条可以提供另一种工具来改进叶片设计，“但这是我们目前正在进行的研究。”

激光雕刻和模制的肋条

肋条还用于飞机发动机风扇叶片以及低压涡轮叶片和护罩。部分工作已由尼康公司先进制造业务部（美国加利福尼亚州贝尔蒙特）完成。可能的好处包括减少所需的旁路空气流量或利用当前空气流量来提高功率输出和效率，从而减少燃料消耗和排放。

尼康是 BST 的重要合作伙伴，双方已合作了 5 年多，致力于该项目和其他项目。然而，对于这些结构，沟槽不是通过应用薄膜来实现的，而是通过激光加工在金属、聚合物和已应用的薄膜和油漆上创建定制的沟槽图案。

同样，沟槽也可以应用于泵、压缩机和涡轮机械中使用的叶轮叶片。“我们已经完成了很多泵项目，包括目前正在进行的一个项目，以及与发电厂合作的项目，”Flanschger 说道。“在这里，沟槽也是直接用激光刻在涂层或金属上。但这也是复合材料行业可行的技术，只需将沟槽雕刻到模具上，然后生产出经过优化并可立即使用的部件即可。”

这种方法已用于叶轮，但也有潜力用于管道。BST 正在与挪威一家生产玻璃纤维增​​强复合水管的公司合作。“通过在成型工具中雕刻肋条，”Flanschger 指出，“他们可以生产出例如内部带有肋条的 8 米长水管。”

螺旋桨、船舶、水翼船

BST 还在研究飞机的碳纤维螺旋桨叶片，Flanschger 认为该研究的益处是巨大的。“我们已经申请了欧盟资助的项目，目前仍在寻找合作伙伴，”他说。“该应用将使用激光雕刻出铝制模具中的负肋条，以固化预浸料或灌注层压板，最终的部件将具有定制的肋条。”

船舶螺旋桨同样有趣。在商用船舶螺旋桨测试中，BST 实现了 3-5% 的效率提升。“如果你以大型集装箱船（例如，中国最新的 400 米长集装箱船之一）计算，这相当于每年减少 20 万升柴油消耗和相应的排放量，”Flanschger 说。

然而，许多公司对此持抵制态度，认为他们生产非常闪亮、超级光滑的螺旋桨的专业知识证明了他们的质量和专业知识。“事实上，我们正处于一个需要新解决方案的新时代，”他观察到。“例如，海事应用还包括用于防御的肋条，因为如果你将它们应用于潜艇、鱼雷和水下无人机，船体和螺旋桨的噪音就会减小，因为湍流减少了。”

看来，肋条对于水翼船来说也是完美的。“是的，它们对水翼船有很大的影响，”弗兰施格说。“水翼船其实并不大，但肋条相对于面积而言却能产生极高的效率提升。”尽管肋条被禁止用于体育应用，但它可以提高电动船（包括水上出租车和渡轮）的效率，其中每一点性能都有助于抵消电池的重量，例如，进一步延长船舶的有效载荷和/或航程。

这些螺旋桨、船体和水翼应用的一个关键例子是自 2026 年 1 月 1 日起生效的规定，即在挪威西部峡湾航行的所有总吨位低于 10,000 吨的旅游船和渡轮都必须是零排放船舶。这项规定将于 2032 年 1 月 1 日扩展到更大的船舶。同样，对于采用电池电力、氢燃料电池和/或沼气为零排放推进系统提供动力的船舶，效率提高 3-5% 可以直接影响其利润。

CFD 分析、挑战和下一代肋条

但是，这些应用所需的 CFD 分析不是很复杂吗？“是的，但这是我们的业务，执行这些 CFD 分析并帮助优化各种结构上沟槽的使用，”Flanschger 说，并指出 BST 开发的 CFD 工具使这一过程变得容易得多，包括模拟自动化和庞大的设计和结果数据库。他还指出，沟槽不是魔法——它们不能让坏的东西变好，“但如果有好的东西，那么沟槽可以让它变得最好。这就是它们在涉及空气动力学和流体动力学的应用中的表现。”

但弗兰施格承认，使用雕刻或模制的沟槽修复结构可能会带来挑战。“你需要保持沟槽的精确性，”他解释道。“例如，它们必须处于正确的方向和方位。”他指出，这是使用薄膜的一个优点——你可以简单地修复部件并根据需要重新贴上薄膜。”一些研究过航空发动机舱沟槽的人还指出，如果沟槽变脏，其性能就会下降。“因此，”弗兰施格说，“材料专家在开发防尘沟槽材料方面发挥着重要作用。”

过去几年，BST 首席技术官 Leitl 开发了新一代专利肋条，有望实现更高的性能。AeroSHARK 和其他应用已显示阻力减少高达 8%，而有了这些新肋条，Leitl 的目标是减少 12%，甚至有可能减少高达 14% 的阻力。“2024 年测试的初步结果看起来很有希望，”Flanschger 说，“但仍有许多工作要做，我们仍在寻找商业化合作伙伴。”他指出，BST 知道许多潜在的合作伙伴，讨论正在进行中，“但重要的是与新公司合作，并可能确定可能真正对我们在行业和可持续性方面面临的挑战产生影响的新应用。”