摸过鲨鱼吗？它的皮肤摸起来十分粗糙。这是因为鲨鱼身披由带有特殊沟槽的微小鳞片组成的“亮片外衣”。这身“外衣”未必光鲜亮丽，却能为鲨鱼带来显著的流体动力学优势。鳞片上的沟槽在鲨鱼体表形成微观结构，可显著减少沿身体产生的耗能水涡。这种结构使鲨鱼能够以每小时 70 公里以上的速度在水中疾驰：阻力更小、能耗更低、速度更快。
直接加工到漆层中
Michiel Top 本人从来没有触摸过鲨鱼皮。但他希望不久后能把这种结构应用到飞机部件上。作为激光设备制造商 4Jet 的产品开发人员，他与另外九名同事共同参与了名为 LEAF 的项目。目标是将飞机蒙皮变成“鲨鱼皮”。因为在水中行之有效的原理，在空气中也同样适用。微观结构也能降低飞机的能源消耗——也就是航空燃油消耗。因此，一些航空公司已经开始采用粘贴式表面结构。4Jet 公司也在开发此类薄膜，但从长远来看，他们认为还有更好的解决方案。Michiel Top 解释道：“我们将被称为肋条结构（Riblets）的微小 V 形沟槽直接加工到漆层中。这样可以将摩擦阻力最多降低 10%。摩擦阻力约占飞机总阻力的 50%。也就是说，如果在整架飞机表面加工出这种结构，每次飞行就可节省 3% 至 4% 的燃油。”一架飞机的平均服役年限约为 20 年，通常每七年需要重新喷涂一次。由此计算，在其整个生命周期内节省的燃油以及减少的二氧化碳排放量将十分可观。
两束激光相互干涉，在材料表面形成肉眼几乎无法看到的微小 V 形沟槽。
为了确保即使在并非完全平整的飞机表面也能可靠加工出这种结构，4Jet 选择了具有极大焦深的方案。
所谓的肋条结构（Riblets），即 V 形沟槽被直接加工到漆层中。这种结构可将总阻力降低 50%，从而大幅节省燃油。
成条加工的微型肋条结构
既然薄膜会增加飞机重量，而且最终会成为废弃物，为什么还要使用它？因为迄今还没有办法在较短时间内，为数百平方米的飞机漆层加工出功能特性经过精准优化的微观结构。做不到。不可能。全是句号。而 4Jet 公司的 LEAF 团队却给出了不同的答案：做不到？那是不存在的！重点在于这个感叹号。LEAF 是“Laser Enhanced Air Flow”（激光增强气流）的缩写。该项目已开展十年，致力于实现一个雄心勃勃的构想。该工艺利用激光干涉这一物理现象，在材料表面加工形成特定微结构。4Jet 公司团队利用一套特殊光学元件将激光束分束，再将两束激光重新汇合，使其相互叠加并发生干涉。这种相互作用会形成具有不同强度分布的特征图样， 从而在微观尺度上改变材料表面。
Lukas May 是 4Jet 公司 LEAF 设备的负责人。他解释道：“我们加工出的肋条结构宽 100 微米、深 50 微米， 并将这种极其精细的微观结构均匀加工到面积超过 400 平方米的飞机机翼上。”因此，漆层并非逐点加工，而是沿较宽的轨迹成条处理：设备利用激光一次加工出约 15 至 20 厘米宽的条带。在这些被称为“Lanes”的加工带内，可形成完全均匀的肋条结构。
May 表示，各加工带的过渡位置会存在毫米级错位，但从整个加工面积来看，这并不影响功能：“否则我们就必须对同一条肋条结构加工两次，这样就存在加工结构过深、进入材料内部过多的风险。 因此我们选择稳妥的做法。尽管如此，我们仍可有效地并排加工近 2000 个肋条结构，从而只产生一个并非完美的接缝区域。相比传统激光结构化技术，该工艺具有约 20 毫米的大焦深，因此即使飞机表面并非完全平整，也能可靠完成微结构加工，并达到最高每分钟一平方米的加工速度。
二氧化碳激光器与二氧化碳减排
为了让该工艺能够在机库内应用于大型飞机，4Jet 公司需要一套可灵活移动的设备，以引导激光沿飞机机身移动。为此，4Jet 公司建造了一座龙门式设备。它的尺寸十分惊人：这台演示设备高达 10 米、宽达 20 米，安装在该公司 Alsdorf 总部的厂房内。其用于加工空客 A330 或波音 777 的机翼。整套设备由运动系统、激光器、反射镜、干涉光学系统以及多传感器系统和软件组成。激光光源采用 CO2 激光器 TruFlow 5000。它最符合该工艺的物理要求。
Michiel Top 解释道：“波长至关重要。CO2 激光能够被飞机漆层特别有效地吸收，因此能够实现精确且低损伤的表面结构化加工。”同时，激光还需要具备较高的相干性，以保证由叠加激光束形成的干涉图样能够稳定生成。因此，通快针对 4Jet 公司的应用需求对 TruFlow 激光器进行了改造，，其中包括利用特殊光栅对激光束进行光谱窄化处理。May 解释道：“不过，二氧化碳激光器无法使用光纤传输激光。”
由于龙门式设备尺寸庞大，激光束到达飞机蒙皮所需经过的光路较长。而一套为此专门开发的反射镜系统会负责将激光束传输至加工位置。“设备本身会发生扭转变形，因此我们采用了一套主动跟踪系统， 即通过可移动的反射镜进行相应校正。”尽管体积庞大，该系统仍可自由移动。激光振镜可精确检测飞机与设备的位置。
原则上，肋条结构也可以加工到整架飞机的表面。不过在实际应用中，4Jet 公司主要关注空气动力学上特别关键的区域。计算结果表明，这种结构在机翼上的效果最为显著，因为机翼区域的空气摩擦阻力影响尤其突出。Top 表示，航空公司等潜在客户对该工艺表现出浓厚兴趣。不过，LEAF 团队要真正为这些客户的飞机披上“鲨鱼皮”，可能还需要一段时间。May 解释道：“目前，我们正在寻找航空领域的合作伙伴，希望与他们共同提供这项服务。“之后，该公司还需要取得相关航空主管部门的必要认证， 而这一过程十分耗时。尽管如此，May 和 Top 仍充满信心：“我们清楚，要让这项技术实现商业化应用并投入航空运营，还需要三到四年的时间。但我们已经证明，该工艺切实可行。现在，我们已准备好迈出下一步。”
