飛行器設(shè)計中的仿生學(xué)應(yīng)用探析

王昊天

(阜新市高級中學(xué),遼寧阜新 123000)

隨著我國航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展,我國飛行器技術(shù)自主設(shè)計研究領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展。在這一研究過程中,大量傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)得到了創(chuàng)新性發(fā)展,為設(shè)計質(zhì)量提升提供了有效的支持。其中仿生設(shè)計技術(shù),作為一項傳統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)理念,在當前的飛行器設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。

1 飛行器設(shè)計中常用的仿生學(xué)理念

天鵝絨、鯊魚皮與飛機在空氣動力學(xué)設(shè)計上的創(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)次嘗試與檢驗洗禮的設(shè)計仍將成為激發(fā)我們創(chuàng)意的巨大源泉。

天鵝絨、鯊魚皮與飛機在空氣動力學(xué)設(shè)計上的創(chuàng)新有何相干？有一個專門的學(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)次嘗試與檢驗洗禮的設(shè)計仍將成為激發(fā)我們創(chuàng)意的巨大源泉。

20世紀60年代,美國J.E.St e e le首次提出仿生學(xué)(Bionics)一詞,它是依據(jù)生物長時間適應(yīng)環(huán)境所形成的規(guī)律去解決人類需求的一門交叉性學(xué)科。仿生學(xué)涉及到生物學(xué)、人體工程學(xué)、動力學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)等,并根據(jù)各學(xué)科特點去分析、研究、解決相關(guān)問題。20世紀成為了技術(shù)與科學(xué)的結(jié)合體時代,仿生學(xué)被廣泛地應(yīng)用到了工業(yè)設(shè)計行業(yè)中。隨著新型材料的出現(xiàn)及技術(shù)的提升,飛行器的仿生學(xué)研究成為了航空領(lǐng)域的聚焦點,因其在軍事和民用上都有廣闊的應(yīng)用前景,許多國家都已經(jīng)投入大量精力去研發(fā)仿生的飛行器。

仿生學(xué)在飛行器上的最初模仿方式使得許多人對仿生學(xué)的認識產(chǎn)生一定的誤區(qū),把仿生學(xué)的應(yīng)用僅僅禁錮在形態(tài)的模仿。飛行器設(shè)計不僅僅有表象的形態(tài)仿生,還有內(nèi)部的結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生、肌理仿生等。其仿生的宗旨是滿足其功能需求,因此,我們強調(diào)飛行器仿生設(shè)計的合目的性。

1.1 形態(tài)仿生

地面上的車輛都長得像圣甲蟲、土鱉蟲,天上的飛機都像魔鬼魚、U F O甚至侏羅紀時代的恐龍。海豚形飛機、天鵝形飛機、海鷗形飛機、魔鬼魚形飛機。宙比航空公司聲稱,S 2飛機能夠在一小時內(nèi)搭載兩人在紐約和波士頓間飛行,全程為322公里。Fly Citycopter借鑒三輪摩托車的穩(wěn)定性和易操縱性,這讓駕駛者方便操縱,幾乎跟發(fā)動汽車一樣在飛行器設(shè)計中,從最早的滑翔機到航空航天飛行器都有明顯的形態(tài)仿生特征。

1.2 功能仿生

功能仿生指飛行器模仿自然界生物的功能,來解決自身需求。功能仿生是近年來仿生學(xué)應(yīng)用最多的一種方式,在飛行器設(shè)計中功能仿生尤為突出。如鸮的靜音飛行特性能夠處理飛行器降噪的問題,蒼蠅平衡棒的導(dǎo)航原理保證飛行器的穩(wěn)定性。生物經(jīng)過長期進化,形成了獨特而復(fù)雜的結(jié)構(gòu),以便適于生存。飛機在空中高速飛行時,外力作用所產(chǎn)生的頻率與機身的自然頻率達到一致時,產(chǎn)生共振現(xiàn)象,當振幅變大后會導(dǎo)致機翼的折斷,這種破壞性振動在空氣動力學(xué)中稱為顫振。為了解決顫振現(xiàn)象,科學(xué)家們針對蜻蜓翅膀的結(jié)構(gòu)進行研究,發(fā)現(xiàn)一個異于其它顏色的結(jié)構(gòu)——翅痣,它能夠抗顫振,防止蜻蜓自身與外力的頻率產(chǎn)生共振。

1.3 肌理仿生

肌理仿生是指人類借鑒自然生物的表面肌理去增強飛行器的形態(tài)功能意義。與形態(tài)仿生相較,肌理仿生更注重對器形表面材料的仿生研究,因此,肌理仿生不僅僅是一種外在視覺上的表象,它更是一種內(nèi)在功能性的需求。由于肌理仿生需要對材料學(xué)的研究,所以仿生的范圍從宏觀推到微觀的世界中。作為一項新型的仿生技術(shù)學(xué)科,肌理仿生在飛行器設(shè)計中依然居有較大的上升空間,進而為飛行器設(shè)計提供新的發(fā)展空間。

1.4 典型例子

(1)鸮,靜音殺手,并且可以極速改變翅膀角度,翼展保證在樹林中快速飛行并且不會碰撞樹干。(2)蜂鳥在采食花蜜時快速扇動翅膀可以達到空中懸停的效果。(3)海中巨大的蝠鲼可以奮力一躍飛出水面。(4)同時借助良好的流線型身體鰹鳥完全可以在水中高速游動,已經(jīng)具備了海空兩棲能力。(5)魚鷹(鸕鶿)其實也具備這個能力。如果一款反艦導(dǎo)彈或者艦載機也具備這個能力的話,沒準會對軍艦防空系統(tǒng)帶來極大挑戰(zhàn)。

1.5 人體仿生

(1)人體仿生學(xué)在飛行器內(nèi)部中使用,人體仿生學(xué)與力學(xué)相結(jié)合,可以全面提高飛行器駕駛與乘坐員之間相互結(jié)合以及舒適性的感覺,比如說人體仿生學(xué)設(shè)計的飛行器作業(yè)可以減少駕駛員與乘坐者感到的勞累,駕駛員在經(jīng)過長時間的飛行過之后,能夠減輕其飛行的勞累程度,可以進一步保障長時間飛行的感受質(zhì)量。(2)提高了飛行中的技術(shù)性。對于技術(shù)性和危險性,人體仿生學(xué)也可以解決該問題發(fā)生的頻率,使用人體仿生學(xué)將問題進行解決和控制,針對具體的問題做出具體的分析。比如說在載人航天飛行當中,人們使用仿生學(xué)對機械的設(shè)備進行設(shè)定,這樣做可以完全將航天員的工作進行替代,完成作業(yè)。在一定的程度上將保證了航天員的安全性,可以進一步促進航天工作的穩(wěn)步進展開來。

2 在飛行器應(yīng)用中的應(yīng)用意義

2.1 提高飛行器利用效率

從可持續(xù)發(fā)展的角度,仿生學(xué)是未來飛行器設(shè)計的趨勢,它既可以解決實際問題,又可以減少對環(huán)境的負重。仿生學(xué)就像一只潛力股,有待我們?nèi)パ芯堪l(fā)現(xiàn),更好地提高飛行器的利用率。

2.2 實現(xiàn)飛行器環(huán)保性能

隨著當前社會的不斷發(fā)展與進步,環(huán)保意識在不斷的增強,專業(yè)人員利用仿生技術(shù)實現(xiàn)飛行器的環(huán)保,環(huán)保在飛行器設(shè)計當中占據(jù)著重要的位置。比如說小型飛行器設(shè)計當中,專業(yè)人員可以使用形態(tài)仿生的原理,全面提高對飛行器對氣流、空氣浮力的使用效率,這樣做可以在很大的前提條件下減少對電源的消耗,進一步做到環(huán)保效果,也就是仿真學(xué)在環(huán)保性能當中最低的體現(xiàn)。為進一步推動著飛行器環(huán)保性能的方向發(fā)展,在飛行器配套技術(shù)中仿生學(xué)也可以使用環(huán)保的做技術(shù),全面達發(fā)揮其對配套技術(shù)的使用,比如說在客機設(shè)計當中,專業(yè)人員可以利用仿生學(xué)的原理為乘客提供環(huán)保的服務(wù)體系,也可以用再生的材料對座椅和設(shè)備進行設(shè)計,不僅可以增加人們使用的舒適程度,也可以將環(huán)保的意識設(shè)計使用在飛行器當中。

2.3 為飛行器設(shè)計提供新的思路

在當前的飛行器外形設(shè)計中,我們將設(shè)計目光從鳥類仿生轉(zhuǎn)移到魚類仿生中,利用海洋魚類防水阻力的外形特性,利用仿生技術(shù)提高飛行器的飛行性能,為未來大型與超大型客機設(shè)計提出了新的技術(shù)思路。

3 結(jié)語

根據(jù)上述狀況來看,仿生學(xué)原理在飛行器的使用當中很全面,這樣做全面提高了飛行器的技術(shù),也提高了飛行器的飛行導(dǎo)航、服務(wù)等各項功能不斷向前進步與發(fā)展,給我國仿生學(xué)飛行器設(shè)計使用奠定了基礎(chǔ);另一方面為新型飛行器設(shè)計提供了新的發(fā)展思路。在形態(tài)仿生、功能仿生、肌理仿生、意象仿生以及人體仿生技術(shù)支持下,我國的飛行器設(shè)計工作將迎來新的時代。

[1] 王怡達,郭巖,聞有祿.仿生學(xué)在飛行器設(shè)計上的應(yīng)用及意義[J].飛機設(shè)計,2016,(1)：13-16.