Små, noggrant styrda vibrationer under ytan på ett flygplan kan hjälpa luftströmmen att förbli jämn längre. Amerikanska forskare har utvecklat två metoder som i datorsimuleringar fördröjer övergången till turbulens utan att flygplanets utsida behöver ändra form.
Målet är att minska det aerodynamiska motståndet och därmed flygplanets bränsleförbrukning. Tekniken befinner sig dock fortfarande på forskningsstadiet och har ännu inte demonstrerats på ett passagerarflygplan.
Turbulens ökar motståndet
När luft strömmar över en vinge bildas ett tunt gränsskikt nära ytan. Luftströmmen kan till en början vara laminär, vilket innebär att den rör sig i relativt jämna lager.
Små störningar kan växa och få flödet att övergå till turbulens. Ett turbulent gränsskikt skapar normalt större friktionsmotstånd än ett laminärt flöde. Om övergången kan skjutas längre bak över vingen eller flygplanskroppen kan energiförlusterna därför minska.
Traditionellt har ingenjörer försökt påverka luftmotståndet genom flygplanets form eller med aktiva system som blåser ut eller suger in luft. Den nya metoden använder i stället fononiska strukturer placerade under en fortsatt slät yta.
Materialet vibrerar mot störningarna
Fononer är vibrationer som fortplantar sig genom ett material. Forskarna använder så kallade fononiska underytor, eller PSubs, som kan reagera på störningar i luftströmmen.
Strukturerna är utformade för att vibrera ur fas med instabiliteterna i flödet. De kan på så sätt motverka en växande störning, ungefär som två vågrörelser som försvagar varandra.
Systemet är passivt. Det behöver alltså inte kontinuerligt drivas av motorer eller elektroniskt styrda ställdon. Luftströmmens egna störningar sätter i stället den underliggande strukturen i rörelse.
Superresonans breddar frekvensområdet
En tidigare begränsning har varit att en fononisk struktur normalt bara fungerar inom ett smalt frekvensområde. Turbulens i verkliga miljöer består däremot av störningar med många olika frekvenser.
Forskarna har nu utvecklat en hoprullad struktur med flera interna vägar för vibrationernas energi. Konstruktionen skapar ett fenomen som de kallar superresonans.
I numeriska simuleringar kunde systemet samtidigt dämpa fyra instabila flödesstörningar över ett frekvensområde som var mer än fem gånger bredare än för en motsvarande traditionell resonator. Det betyder inte att färdig turbulens har eliminerats, men visar att flera störningar kan påverkas med samma konstruktion.
Flera enheter förlänger effekten
Den andra metoden kallas spridningsfri interferens. Flera fononiska strukturer placeras då i ett rutnät under ytan.
Enheterna samverkar så att instabilitetens rörelseenergi fortsätter att minska nedströms. Det kan göra det möjligt att påverka luftströmmen över en större del av en vinge eller flygplanskropp, samtidigt som utsidan förblir slät.
Båda resultaten bygger främst på direkta numeriska simuleringar. Fysiska prototyper av fononiska underytor har byggts av olika forskargrupper, men tekniken behöver fortfarande valideras i vindtunnlar och senare under realistiska flygförhållanden.
Forskarna har ännu inte visat hur mycket bränsle ett passagerarflygplan skulle kunna spara. Om metoden fungerar i praktiken kan principen även användas på fartyg, markfordon, rörledningar och turbomaskiner.
Publikationsuppgifter
Adam R. Harris m.fl., Superresonans: Att överskrida bandbreddsgränsen för resonanslägen och dess tillämpning på flödeskontroll, Physical Review X (2026). DOI: 10.1103/766t-tqsy
Mahmoud I. Hussein m.fl., Scatterless interference: Delay of laminar-to-turbulent flow transition by a lattice of subsurface phonons, Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Science (2026). DOI: 10.1098/rspa.2025.0771