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举个栗子:飞机设计中用到哪些仿生学原理?

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-16) 299次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:飞机设计中用到哪些仿生学原理?

天鹅绒、鲨鱼皮与飞机在空气动力学设计上的创新有何相干?在航空学领域,越来越多的新想法都来源于自然界中各种各样的结构、器官和材料。在未来,这些在大自然中经过无数次尝试与检验洗礼的设计仍将成为激发我们创意的巨大源泉。

天鹅绒、鲨鱼皮与飞机在空气动力学设计上的创新有何相干?有一个专门的学科可以给你答案。此学科致力于从大自然中汲取灵感并效法自然。它就是“仿生学”。其设计灵感皆源于自然。仿生学家通过研究和模仿自然界中最优秀的创意来解决人类遇到的种种问题。在航空学领域,越来越多的新想法都来源于自然界中各种各样的结构、器官和材料。在未来,这些在大自然中经过无数次尝试与检验洗礼的设计仍将成为激发我们创意的巨大源泉。

【荷花效应】

举个栗子:飞机设计中用到哪些仿生学原理?

在现在的进化阶段,荷叶表面的角质可以使其表面的雨水滚落并带走污浊以保持自身的清洁与干燥。这就是“荷花效应(the Lotus Effect)”。荷叶的这种特性激发了人们在机舱设备涂层设计上的灵感。这种涂层可以使水分以滚珠的形式流走并同时去除污物。这样就提高了飞机的清洁度,同时还能省水,减重,降耗并减少碳排放。此灵感已经在空客飞机上的卫生间得到了应用。在未来,座位和地毯的材料也很可能被这样设计。

【可移动的机翼表面】

举个栗子:飞机设计中用到哪些仿生学原理?

海鸟可以通过喙部察觉出空气中的阵风荷载量(Gust Load),并通过调节翅膀的形状抑制升力。新型的空客 A350 XWB 在机头的探测器就可以检测风力并利用其可移动的机翼表面提高飞行效率。此设计可以进一步节能减排。

【来自老鹰的翼尖帆设计灵感】

举个栗子:飞机设计中用到哪些仿生学原理?

对于像草原雕这样的大型鸟类,如果其翅膀过长,转向时的半径就会过大,从而使其在飞翔时无法利用热空气柱上升。实际上,鹰的翅膀完美地结合了最大的升力和最小的翅膀长度。它们会将翅尖羽毛向上卷曲,从而形成近乎 90°的夹角。这能减小空气中的漩涡,提高飞行效率。若按传统方法设计,A380 的翼幅将比国标机场可容纳的距离大出 3 米。不过,多亏了“翼尖帆(Winglet)[1]”——这种小巧的设计模仿了鹰类向上卷曲的羽毛,A380 的翼幅比国标机场限值还少 20 厘米,却可以为世界上最大的客机提供足够的升力和飞行效率(节能、减排并减少机场拥堵现象)。

【猫头鹰的静音飞翔】

举个栗子:飞机设计中用到哪些仿生学原理?

经历了 2000 万年的进化,如今,猫头鹰已拥有锯齿状的翅羽以及绒毛状的腿部羽毛。这可以帮助它们最大限度地减少气动噪声。尽管相比于 40 年前的飞机,现代飞机的噪声已经降低了 75%,空客工程师仍希望通过进一步的研究,揭示猫头鹰静音飞翔的奥秘。新的创意包括:模仿猫头鹰羽毛后缘的可伸缩式刷子边缘及天鹅绒般的起落架涂层。

仿生学应用】

举个栗子:飞机设计中用到哪些仿生学原理?

自然界的许多生物,如:蜜蜂、蝴蝶,都拥有应对多种环境的轻型、适应性强的骨架。因此,空客希望将“仿生学结构”应用到未来的飞机结构设计中。如果气动表面可以变得更轻并更能适应各种环境,那么,飞机即可减重、减排。空客工程师还在探索新的制造工艺并希望将这种“仿生学骨架”应用到未来飞机结构中,使其更轻、更具机动性。

【“沟状”鲨鱼皮】

举个栗子:飞机设计中用到哪些仿生学原理?

鲨鱼皮表面充满了微小的沟槽结构。科学家发现这种结构可以减少鲨鱼在水中的阻力,并有利于其在捕食时保持体力。在过去 30 年中,航空工程师一直对“鲨鱼皮”(Groovy Skin or Riblet, 术语称“沟槽结构”)进行研究和实验。这项研究最终将被应用到空客飞机的制造中。正如“鲨鱼皮”结构能使运动中的鲨鱼减少能量消耗,这些微小的沟槽也将帮助喷气式飞机降耗。

【蝴蝶的翅膀】

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蝴蝶和一些昆虫可谓是地球上最精美的生物了。但其华丽的外表也掩饰了其复杂精细的翅膀结构。这些翅膀可是它们高效飞行的利器。它们柔软的外膜和血管(微毛细血管)时紧时松,使其能在任何飞行阶段都收放自如。同样,空客工程师已研发出可以在飞行中自动翻转的机翼。但如果可以控制其转动,那么飞行效率将得到提高,能耗也会降低。目前,工程师们正在研究是否能够效仿蝴蝶的微毛细血管翅膀结构,在机翼设计中采用小型可移动表面及灵活的内部组件,从而提高飞行效率。

【列阵飞行】

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在自然界中,大型鸟类有时会集体飞行以节省能量并增加飞行距离。列阵飞行时(就像迁徙时的鹅或鸭那样),领头鸟的翅膀会产生漩涡状气流,其后的鸟就会因此得到额外的升力,也就是说会省力。机翼也可以有同样的效果,我们称之为“尾涡”(Trailing Vortex)。军用飞机经常利用列阵飞行减少能耗(燃油量)。目前,客运喷气式飞机出于安全考虑,还没有使用这种方法。不过,空客正与其合作伙伴研究在长途飞行中节能减排的方法。

感谢 Wildscreen ARKive[2]项目团队的仿生学蝴蝶标志。

译注:

[1]翼尖小翼(winglet 或 wingtip),又称作翼梢小翼、翼尖帆或翼端帆,通常用于提高固定翼航空器机翼的效率,也可用来改善航空器的操纵特性。

[2]Wildscreen 是一个致力于通过极具视觉冲击力的生物图片鼓励人们关注自然和生物多样性的慈善组织。ARKive 是其最核心的项目之一。此项目旨在组建野生物种图片的电子图书馆,尤其针对濒危物种,为后代保留珍贵影像。ARKive 汇集了全球顶尖野生动植物摄影家和 7500 多家网络资料提供方。其资料向公众免费开放。

(编译:princeegypt;via airbus)


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