新型環保無聲飛機的概念設計

張翰

北京市海淀實驗中學

新型環保無聲飛機的概念設計

張翰

北京市海淀實驗中學

如今，飛機產生的噪音已經成為了不可忽略的噪聲污染之一，給環境帶來了極大的污染，也給居民生活帶來了諸多不便。自飛行器誕生以來，人們便在減噪的領域不斷努力著，該論文將闡述一種運用從貓頭鷹無聲飛行中得到的啟發來進行減噪的方法，并初步對這種飛行器的設計進行合理化的構想，希望能推動該領域的發展，如果技術條件允許，可將這種無聲飛行器的概念設計付諸實際。

無聲飛行；仿生技術；新型機翼

引言

無聲飛行必將是飛機制造領域的一個重要組成部分，飛機的減噪對飛機發展、環境保護都有著極其重要的作用。自飛機誕生以來的一百多年間，飛機的發展極其迅速，無論是性能還是外觀都有了質的飛躍，其中，對于飛機飛行過程中噪聲的減弱，一直是一個問題。

無聲飛行有著很大的實際意義，在很多領域都有著廣泛的應用。在軍事方面，無聲飛機可用于軍事偵察，例如，小型的無聲飛行器潛入敵方基地，可以不費一兵一卒的刺探敵方情報，并且戰斗機的減噪也是有利于隱蔽行蹤。另外，無聲飛機在民用方面也有著十分廣泛的應用，無聲飛機的實現可大大減少機場附近的噪聲污染，從而促進機場周邊的基礎設施建設，并減少環境污染，這對于城市建設是十分有益處的。

一、背景介紹

在當今時代，世界上的軍用和民用飛機都處在飛速發展的時期，航空運輸已經成為越來越普遍的交通與運輸方式。而由于飛機速度的提升，飛機在飛行過程中的噪聲越來越大，而在日常生活中，常規的客機的噪聲一般都在90dB左右。而在軍事上，如果飛機噪聲過大，會增大暴露自身目標的可能性，所以人們對于飛機的飛行與起落噪聲要求越來越苛刻，這樣，飛機的噪聲就成為一個日漸突出的問題。

目前，飛機主要的降噪手段是同步降低飛機后緣、起落架、增升裝置部分的噪聲源的噪聲水平，如改變飛機后緣與前緣機翼的結構，消除機翼后部的凸起結構，改變起落架的構造，并通過環量控制、變形機翼、改變操作狀態等方式降低噪聲。還有通過添加動力吸振器，設計微穿孔板消聲結構等方式來降低飛機飛行時的噪聲。

二、設計理念

本文的無聲飛機機身將采用流線型設計，在保證速度的前提下盡量減小空氣振動所產生的噪聲。本文充分利用仿生學，利用大自然的智慧，剖析貓頭鷹無聲飛行的特點，將無聲飛機變為可能，選用鋸齒狀設計，減弱飛機在飛行過程中機翼后緣產生的渦流，從而進一步減小飛行產生的噪聲。在能源選擇方面可選擇新型能源，減少飛機所產生的污染，提高燃燒效率，降低成本，做到真正的節能環保。如此，通過對貓頭鷹的研究，加上對于動力系統的改進，我們便可能設計出無聲飛機，從而給生活帶來更多便捷。

無聲飛機仍采用傳統飛機機翼的布局形式，但在機翼的設計上將采用不同的方案，充分利用仿生學的技術，采用新型材料，來達到減噪減振的目的，并考慮造價，提高飛機的經濟實用性。

（一）仿生學的應用，形成設計理念

貓頭鷹的翅膀具有很多其它鳥類都不具備的特點，這些特點賦予了它無聲飛行的特點，使它成為了隱形的殺手。觀察貓頭鷹飛行，可以明顯發現貓頭鷹的翅膀的兩個結構特點：首先，是貓頭鷹翅膀上羽毛與其他鳥類有所不同，在后緣部分，分布著很多類似于鋸齒狀的結構；其二，貓頭鷹翅膀上的其它地方雖然沒有鋸齒狀的結構，但都有柔軟的絨毛所覆蓋。這些結構賦予了貓頭鷹無聲飛行的本領，這也是為什么貓頭鷹能夠悄無聲息的接近獵物的原因。本文設計的概念飛機著重于其機翼的設計，利用仿生技術，在通過對貓頭鷹翅膀的研究，初步設計出一種帶有鋸齒狀突起的機翼，進而起到一定的減噪效果。

（二）采用新型材料，使其減重減噪

采用新型材料，降低飛機重量，減少其能耗，并降低飛機飛行過程中的振動，使飛行更加平穩。這樣一來，可使飛機更加的節能環保，并在降低飛機表面空氣振動的基礎上，進一步的減少飛機產生的噪音。

三、無聲飛機結構設計

（一）機身設計

利用仿生學原理，采用流線型設計，減小飛行時的空氣阻力，提高速度。采用新型材料，降低飛行過程中機身表面的空氣振動，降低飛行速度對于噪聲產生的影響。

（二）側翼設計

根據貓頭鷹翅膀上的初級羽毛呈鋸齒狀排列的特點，在機翼后緣加裝鋸齒狀的突起，改變空氣流動的角度，降低飛行過程中機翼后緣產生的渦流的影響，可有效的降低飛機起降過程中產生的噪音。同樣可以將發動機中的渦輪葉片的后緣設計為鋸齒狀，此舉將有效的降低發動機所產生的噪音，此原理還可以應用到風扇的減噪設計當中，已有研究證明這對于風扇減噪起到了作用。

（三）尾翼設計

在尾翼的設計上同樣可采用加裝鋸齒狀突起的方法，但由于尾翼產生的噪音的比重不是很大，所以還可采用在表面設計一些波浪狀的凹槽，使空氣分流，減少尾翼后端產生的渦流，降低其產生的噪音。

四、無聲飛機動力設計

（一）發動機設計

該飛機仍采用渦輪風扇發動機，但是將風扇后端改為鋸齒狀，以減少其運行過程中產生的噪聲。在能源方面選擇污染低，燃燒效率高的新型能源，減少環境污染，節約成本。在材料選擇上，可選擇耐高溫、重量輕的材料，進一步提高發動機的工作效率。

（二）太陽能電池板

出于對能源緊缺的考慮，可以在不影響飛行性能的前提下在一些部位加裝太陽能電池板，減少燃料的使用，這樣可以有效的降低飛行過程中的污染和能耗。

五、發展前景與展望

減噪一直是飛行器設計中要重點考慮的一個問題。機場每日起降航班數的上限是與噪音等級有關聯的，如果能解決飛機在起降時的噪音問題，機場的噪音水平下降，那么機場每日起降的航班數就可以增多。這樣一來，機場的客流速度就可以加快，機場的運營效率就會提高，這對一些客流量大的大型機場是十分有益的。此外，減噪在軍事方面的用途更是不言而喻，無聲飛行在偵察時可派上大用場，可以悄無聲息的刺探情報。由此看來，盡管還有很多問題亟待解決，無聲飛行的前景必然一片廣闊。它涉及的領域廣泛，可以造福很多行業。

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