鸟类和飞机仿生学信息

仿生学是模仿生物的特殊技能,利用生物的结构和功能原理研制机械或各种新技术的科学。日常生活中的很多发明都来源于大自然的仿生原理,飞机的设计制造也不例外。

翅膀曲线和鸟。1800左右,英国科学家、空气动力学创始人之一凯利模仿丘鹬的纺锤形,发现了一种低阻力的流线型结构。凯利还设计了一种模仿鸟类翅膀的机翼曲线,极大地促进了航空技术的诞生。与此同时,法国生理学家马雷对鸟类的飞行进行了细致的研究。在《动物机器》一书中,他介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹在研究飞行动物时也发现,飞行动物的重量与身体线性的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行物体尺寸的局限性。通过对鸟类飞行器官的详细研究和精心模仿,根据鸟类飞行机理的原理,人们终于制造出了能够载人飞行的滑翔机。

雷达导航和蝙蝠。蝙蝠夜间飞行,能捕捉飞蛾和蚊子;而且无论你怎么飞,都没见过它和什么东西相撞。为了弄清这个问题,100多年前,科学家们做了三个不同的实验来证明蝙蝠在夜间飞行,不是靠眼睛,而是靠嘴巴和耳朵的结合来认路。它可以用嘴发出超声波,当超声波从障碍物上回来时,用双耳接收。科学家模仿蝙蝠探路的方法,给飞机装上雷达。雷达通过天线发出无线电波,当无线电波遇到障碍物时,被反射回来并显示在屏幕上。飞行员可以从雷达屏幕上清楚地看到前方是否有障碍物,因此飞机在夜间飞行也非常安全。

小翼和鹰。由于飞机在飞行中上下表面的压力差不同,来自翼尖附近机翼下表面的空气会向上表面绕流,形成翼尖涡流,这将降低翼尖附近机翼上下表面的压力差,从而降低该区域产生的升力。这就是诱导抗性的根源。通过对自然界大型鸟类的长期观察,如鹰、猎鹰等,发现它们在飞行中展开翅膀,将翼尖向上弯曲,以减少阻力,从而实现长距离滑翔。受此启发,有专家提出了在翼尖安装短板以减少诱导阻力的想法。后来设计师继续研究,发明了小翼,安装在运输机上,减少飞机的阻力。

机身蒙皮和蒙古弓。飞机的机身由蒙皮包裹,然后将力传递到梁和肋上。同时,蒙皮的完整性也影响着整架飞机的气动性能。因此,蒙皮的强度关系到整个飞机的结构安全。几百年前,蒙古战士的弓引起了设计师的兴趣。为了适应即时作战,蒙古弓要短,但要保证弓的强度。聪明的古人采用了复合材料的方法。他们用水牛角和鹿筋来加固弓。受此启发,设计师将玻璃纤维与铝合金相结合,完成了符合现代大飞机要求的复合材料。

翅膀震颤和蜻蜓。飞机高速飞行时,机翼会颤动。换句话说,飞机的机翼会不由自主地振动,这种有害的振动可能会导致机翼断裂死亡的悲剧。在昆虫中被称为“飞行之王”的蜻蜓,在用翅膀飞行时也会遇到有害的颤动。然而,神奇的造物主给了他们消除这种现象的方法。在每只蜻蜓翅膀前缘上方,有一层厚厚的深色角质层或色素斑,称为翅痣。这是他们消除颤振隐患的特殊装置。科学家虚心向蜻蜓学习。在飞机机翼前端的边缘,像贴片一样安装了一块叫做防振装置的长方形金属板。昆虫的小技能帮助人类解决了大问题。

翼面和海鸟。海鸟可以通过喙探测到空气中的阵风载荷,并通过调整翅膀的形状来抑制升力。利用这一原理,新空客A350 XWB可以通过安装在机头的探测器探测风力,并利用其可移动的翼面提高飞行效率。这种设计可以进一步节能减排。

飞机涂层和鲨鱼皮。自适应面的设计和开发是飞行器设计中环境适应性比较明显的一个领域,要从大自然中寻找灵感。今天的民用客机,40%的阻力可以归结于湍流边界层。连续的自适应表面可以破坏这层湍流,进而消除表面摩擦阻力。背带(飞机表面沿气流方向的一排小凹槽)可以减少4-7%的皮肤摩擦。然而,支撑很容易损坏,因此它是一个主要的工程问题。然而,德国Flawn的Hof研究所设计了一种涂层,它模仿鲨鱼皮,并添加了一个类似于支架的小凹槽。蜡纸板可用作飞机的最外层涂层。涂层中含有纳米部件,保证了它可以抵抗紫外线,改变温度。该研究所表示,该涂层应用于飞机上,每年可节省448万吨燃油。

机舱设备和荷叶。在进化的现阶段,荷叶表面的角质可以使其表面的雨水滚下,带走污垢,保持自身的清洁干燥。这就是莲花效应”。荷叶的这种特性激发了人们在机舱设备涂装设计上的灵感。这种涂层可以使水以球的形式流走,同时去除污垢。这样可以提高飞机的洁净度,同时节水、减重、降耗、减少碳排放。这一灵感已经应用在空客飞机的厕所里。在未来,座椅和地毯的材料很可能是这样设计的。

编队飞行的还有大雁。在自然界中,大雁迁徙时会成群飞行,以节省能量,增加飞行距离。编队飞行时,领头雁的翅膀会产生涡流气流,后面的雁会获得额外的升力,也就是说会省力。机翼也可以有同样的效果,这种效果被称为“尾涡”。军用飞机经常使用阵列飞行来减少能量消耗。目前,出于安全考虑,客机还没有使用这种方法。

飞机带着苍蝇着陆了。苍蝇一旦起飞,可以在0.15秒内加速到每小时10公里的速度。苍蝇的转弯角速度可以达到每秒6转,也就是2160度。苍蝇可以垂直上下飞,甚至可以倒着飞。即使它们因障碍物而突然失速,也能在几毫秒内恢复飞行。无论在什么样的表面,苍蝇都可以轻松达到零速度着陆。昆虫学家发现苍蝇的后翅退化成一对平衡杆。当它飞行时,平衡杆以一定的频率机械振动,可以调整翅膀的运动方向,是保持苍蝇平衡的导航器。基于这一原理,科学家们开发出了新一代的导航仪——振动陀螺仪,大大提高了飞机LlJ的飞行性能,使飞机能够自动停止危险的侧翻飞行,并在机体强烈倾斜时自动恢复平衡,即使飞机处于最复杂的急转弯时也是如此。

翅膀结构和蝴蝶。蝴蝶是地球上最美丽的生物之一,但华丽的外表也掩盖了它复杂而精致的翅膀结构。这些翅膀是它们高效飞行的有力工具。它们柔软的外膜和血管有紧有松,这使得它们在任何飞行阶段都可以自由伸缩。同样,空中客车公司的工程师已经开发出可以在飞行中自动翻转的机翼。如果能控制它的旋转,飞行效率会提高,能耗会降低。目前,工程师们正在研究是否可以模仿蝴蝶的微毛细翅膀结构,在翅膀设计中采用小型可移动表面和柔性内部组件,以提高飞行效率。

空气动力噪音和猫头鹰。经过2000万年的进化,猫头鹰现在拥有锯齿状的翅膀和蓬松的腿部羽毛。这可以帮助他们最大限度地减少空气动力噪音。尽管现代飞机的噪音已经比40年前的飞机降低了75%,但空客的工程师们仍然希望通过进一步的研究来揭示猫头鹰无声飞行的奥秘。新的想法包括:可伸缩的刷子边缘模仿猫头鹰羽毛的后缘和天鹅绒起落架涂层。

喷气发动机和鱿鱼。根据牛顿第三定律,所有作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力。事实上,这个原理在海洋生物中早已存在。比如乌贼(墨鱼)和水母反冲原理。当乌贼遇到危险时,它可以从它的腔中喷出一束墨水,一方面使水的颜色变暗,另一方面提供了快速前进和疾走的反作用力。飞机喷气发动机推进原理也是如此。喷气发动机工作时,从前端吸入大量空气,燃烧后高速喷出。在这个过程中,发动机对气体施加力使其向后加速,气体也给发动机一个反作用力推动飞机前进。