8條飛機(jī)設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)原理

1、8條飛機(jī)設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)原理天鵝絨、鯊魚皮與飛機(jī)在空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新有何相干？在航空學(xué)領(lǐng)域，越 來越多的新想法都來源于自然界中各種各樣的結(jié)構(gòu)、器官和材料。在未來，這些 在大自然中經(jīng)過無數(shù)次嘗試與檢驗(yàn)洗禮的設(shè)計(jì)仍將成為激發(fā)我們創(chuàng)意的巨大源 泉。天鵝絨、鯊魚皮與飛機(jī)在空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新有何相干？有一個(gè)專門的學(xué)科 可以給你答案。此學(xué)科致力于從大自然中汲取靈感并效法自然。它就是“仿生 學(xué)”。其設(shè)計(jì)靈感皆源于自然。仿生學(xué)家通過研究和模仿自然界中最優(yōu)秀的創(chuàng)意 來解決人類遇到的種種問題。在航空學(xué)領(lǐng)域，越來越多的新想法都來源于自然界 中各種各樣的結(jié)構(gòu)、器官和材料。在未來，這些在大自然中經(jīng)過無數(shù)次嘗試與檢

2、 驗(yàn)洗禮的設(shè)計(jì)仍將成為激發(fā)我們創(chuàng)意的巨大源泉?！竞苫ㄐ?yīng)】在現(xiàn)在的進(jìn)化階段,荷葉表面的角質(zhì)可以使其表面的雨水滾落并帶走污濁以保持自身的清潔與干燥。這就是“荷花效應(yīng)(the Lotus Effect)荷葉的這種特性激發(fā)了人們?cè)跈C(jī)艙設(shè)備涂層設(shè)計(jì)上的靈感。 這種涂層可以使水分以滾珠的形式流走 并同時(shí)去除污物。這樣就提高了飛機(jī)的清潔度，同時(shí)還能省水，減重，降耗并減少碳排放。此靈感已經(jīng)在空客飛機(jī)上的衛(wèi)生間得到了應(yīng)用。在未來，座位和地毯 的材料也很可能被這樣設(shè)計(jì)?！究梢苿?dòng)的機(jī)翼表面】海鳥可以通過喙部察覺出空氣中的陣風(fēng)荷載量(Gust Load)，并通過調(diào)節(jié)翅膀的形狀抑制升力。新型的空客 A350 XWB在

3、機(jī)頭的探測(cè)器就可以檢測(cè)風(fēng)力并利用其可移動(dòng)的機(jī)翼表面提高飛行效率。此設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步節(jié)能減排?！緛碜岳销椀囊砑夥O(shè)計(jì)靈感】對(duì)于像草原雕這樣的大型鳥類，如果其翅膀過長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向時(shí)的半徑就會(huì)過大，從而90。的夾角使其在飛翔時(shí)無法利用熱空氣柱上升。 實(shí)際上，鷹的翅膀完美地結(jié)合了最大的升 力和最小的翅膀長(zhǎng)度。它們會(huì)將翅尖羽毛向上卷曲，從而形成近乎這能減小空氣中的漩渦，提高飛行效率。若按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)，A380的翼幅將比國(guó)標(biāo)機(jī)場(chǎng)可容納的距離大出3米。不過，多虧了“翼尖帆(Win glet)1”一一這種小巧的設(shè)計(jì)模仿了鷹類向上卷曲的羽毛，A380的翼幅比國(guó)標(biāo)機(jī)場(chǎng)限值還少20厘米，卻可以為世界上最大的客機(jī)提供足夠的升

4、力和飛行效率(節(jié)能、減排并減少機(jī)場(chǎng)擁堵現(xiàn)象）?！矩堫^鷹的靜音飛翔】*經(jīng)歷了 2000萬年的進(jìn)化，如今，貓頭鷹已擁有鋸齒狀的翅羽以及絨毛狀的腿部羽毛。這可以幫助它們最大限度地減少氣動(dòng)噪聲。盡管相比于40年前的飛機(jī),現(xiàn)代飛機(jī)的噪聲已經(jīng)降低了 75%，空客工程師仍希望通過進(jìn)一步的研究， 揭示貓頭鷹靜音飛翔的奧秘。新的創(chuàng)意包括:模仿貓頭鷹羽毛后緣的可伸縮式刷子邊緣及天鵝絨般的起落架涂層?！痉律鷮W(xué)應(yīng)用】自然界的許多生物，如：蜜蜂、蝴蝶，都擁有應(yīng)對(duì)多種環(huán)境的輕型、適應(yīng)性強(qiáng)的骨架。因此，空客希望將“仿生學(xué)結(jié)構(gòu)”應(yīng)用到未來的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。如果氣 動(dòng)表面可以變得更輕并更能適應(yīng)各種環(huán)境，那么，飛機(jī)即可減重、減排

5、?？湛凸?程師還在探索新的制造工藝并希望將這種“仿生學(xué)骨架”應(yīng)用到未來飛機(jī)結(jié)構(gòu) 中，使其更輕、更具機(jī)動(dòng)性?！尽皽蠣睢滨忯~皮】鯊魚皮表面充滿了微小的溝槽結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)可以減少鯊魚在水中的 阻力，并有利于其在捕食時(shí)保持體力。在過去 30年中，航空工程師一直對(duì)“鯊魚皮” （Groovy Skin or Riblet,術(shù)語稱“溝槽結(jié)構(gòu)”）進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng) 研究最終將被應(yīng)用到空客飛機(jī)的制造中。 正如“鯊魚皮”結(jié)構(gòu)能使運(yùn)動(dòng)中的鯊魚 減少能量消耗，這些微小的溝槽也將幫助噴氣式飛機(jī)降耗。【蝴蝶的翅膀】ViQ； 逸7蝴蝶和一些昆蟲可謂是地球上最精美的生物了。 但其華麗的外表也掩飾了其復(fù)雜 精細(xì)的翅

6、膀結(jié)構(gòu)。這些翅膀可是它們高效飛行的利器。它們?nèi)彳浀耐饽ず脱埽ㄎ?毛細(xì)血管）時(shí)緊時(shí)松，使其能在任何飛行階段都收放自如。同樣，空客工程師已 研發(fā)出可以在飛行中自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的機(jī)翼。 但如果可以控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，那么飛行效率將 得到提高，能耗也會(huì)降低。目前，工程師們正在研究是否能夠效仿蝴蝶的微毛細(xì)血管翅膀結(jié)構(gòu)，在機(jī)翼設(shè)計(jì)中采用小型可移動(dòng)表面及靈活的內(nèi)部組件，從而提高 飛行效率?！玖嘘囷w行】在自然界中，大型鳥類有時(shí)會(huì)集體飛行以節(jié)省能量并增加飛行距離。 列陣飛行時(shí)（就像遷徙時(shí)的鵝或鴨那樣），領(lǐng)頭鳥的翅膀會(huì)產(chǎn)生漩渦狀氣流，其后的鳥就會(huì) 因此得到額外的升力，也就是說會(huì)省力。機(jī)翼也可以有同樣的效果，我們稱之為。目“尾渦” （Trailing Vortex）軍用飛機(jī)經(jīng)常利用列陣飛行減少能耗（燃油量）前，客運(yùn)噴氣式飛機(jī)出于安全考慮，還沒有使用這種方法。不過，空客正與其合 作伙伴研究在長(zhǎng)途飛行中節(jié)能減排的方法。感謝Wildscreen ARKive2項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的仿生學(xué)蝴蝶標(biāo)志。譯注:1翼尖小翼（winglet或wingtip ），又稱作翼梢小翼、翼尖帆或翼端帆，通常 用于提高固定翼航空器機(jī)翼的效率，也可用來改善航空器的操縱特性。2Wildscree n是一個(gè)致力于通過極具視覺沖擊力的生物圖片鼓勵(lì)人們關(guān)注自 然和生物多樣性的慈善組