未來飛機(jī)上的大自然靈感

張馳

1892年，在一艘郵輪上，英國工程師、發(fā)明家弗雷德里克·蘭切斯特在甲板上駐足，他看著輕盈的海鷗飛過天空、掠過海面。一連幾天里，他都在看海鷗飛行，他發(fā)現(xiàn)海鷗飛行時(shí)翅膀幾乎不動，但是翅膀的末端會向上翹起。他想到，翼尖的氣流或許為海鷗提供了額外的升力，讓它們保持飛行高度。這給了這位發(fā)明家靈感，他由此想到研發(fā)一種擁有類似海鷗翅膀的飛行器。不過，這個(gè)概念一直到20世紀(jì)70年代才被真正地應(yīng)用到飛機(jī)上。今天，模仿海鷗翅膀的這個(gè)結(jié)構(gòu)被稱為飛機(jī)小翼，是一個(gè)近乎垂直于機(jī)翼的機(jī)翼延伸結(jié)構(gòu)，它的作用是提高飛機(jī)的飛行效率，延長飛行距離。

大自然一直都是我們的好老師，在制造飛機(jī)時(shí)也不例外，類似的源自大自然的靈感推動了飛機(jī)制造行業(yè)科技的創(chuàng)新和發(fā)展，有些靈感讓人大呼意外。讓我們來看看幾項(xiàng)可能會出現(xiàn)在未來飛機(jī)上的來自大自然的靈感。

在中南美洲的熱帶雨林中，生活著一種人手掌那么大的甲蟲，它就是世界上現(xiàn)存的最長的甲蟲，也是世界上最大的飛行甲蟲——大力神甲蟲。大力神甲蟲有一項(xiàng)特殊的能力，那就是能根據(jù)環(huán)境的濕度變化來調(diào)節(jié)鞘翅的顏色，以適應(yīng)雨林中每日變化的色調(diào)。

大力神甲蟲的這項(xiàng)特殊能力得益于它們多層的“盔甲”。它們的外殼最外層是透明的，里層則是黑色的角質(zhì)層，外層和里層之間夾著一層半透明的、海綿狀的黃色層。在干燥的條件下，黃色層中的孔隙僅容納空氣，因此陽光從該層結(jié)構(gòu)反射黃色。而當(dāng)環(huán)境較潮濕時(shí)，黃色層的孔隙就會充滿水分，這使得里層的黑色變得明顯起來，因此它們看起來顏色更深。

而在制造飛機(jī)的復(fù)合材料部件時(shí)，工程師們經(jīng)常會遇到一個(gè)問題，零件在不同濕度下，性狀會發(fā)生改變。在制造某些零件時(shí)，如果濕度過高，會導(dǎo)致零件不夠堅(jiān)固或者起泡，這樣的零件只能廢棄。現(xiàn)在要解決這個(gè)問題，只能安裝電子傳感器，但是這會耗費(fèi)大量的資金。美國洛克希德·馬丁公司臭鼬工廠的工程師們從大力神甲蟲身上獲得了靈感，他們提出可以跟大力神甲蟲學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)一款變色貼紙。而這樣一款貼紙可以提醒工程師們，某一復(fù)雜結(jié)構(gòu)是否正處于進(jìn)行某個(gè)工序的合適的濕度水平，從而減少零部件的損耗。

不過，這個(gè)來自大力神甲蟲的靈感還在實(shí)驗(yàn)室中，工程師們正在努力將靈感變成現(xiàn)實(shí)。相信在不久的將來，它將能為減少飛機(jī)零件制造過程中的人力和財(cái)力的耗費(fèi)做出貢獻(xiàn)。

在南極大陸上，帝企鵝無疑是當(dāng)之無愧的代言人，它們憨態(tài)可掬，走路時(shí)步履蹣跚，偶爾還會在冰面滑倒，在冰天雪地里滑行。與在地面上行走時(shí)的笨拙模樣形成鮮明對比的是，在水里，帝企鵝是當(dāng)之無愧的游泳高手，它們總能優(yōu)雅地俯沖、轉(zhuǎn)身和向上游，靈活地捕捉獵物和躲避獵食者。

帝企鵝如何能如此靈活地游泳呢？原因之一當(dāng)然是它們擁有流線型的身體。此外，還因?yàn)樗鼈兊纳眢w被油性羽毛覆蓋，形成水密層，從而使它們在游泳時(shí)減少阻力。不過海洋生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，帝企鵝能在水中“飛馳”，還因?yàn)樗鼈兊挠鹈虏刂懊孛芪淦鳌薄Ｔ瓉恚燮簌Z的羽毛細(xì)絲很小，可以將空氣困在羽毛之下。當(dāng)它們?nèi)胨畷r(shí)，藏在羽毛中的空氣被釋放出來，形成成千上萬的小氣泡。小氣泡與水結(jié)合，形成了氣泡狀的空氣-水混合物，包裹著帝企鵝的身體，從而降低它們周圍海水的密度，減少了游泳時(shí)的阻力。

2018年，美國宇航局的科學(xué)家艾塞亞·布蘭克森根據(jù)帝企鵝游泳的技術(shù)，開始研究一項(xiàng)削弱或者消除飛機(jī)音爆的技術(shù)。布蘭克森的設(shè)想是，在飛機(jī)的前部安裝一個(gè)激光發(fā)射器，用于發(fā)射激光脈沖，使空氣電離，產(chǎn)生等離子體細(xì)絲。從理論上來說，從空氣到等離子體細(xì)絲的快速轉(zhuǎn)變應(yīng)該會產(chǎn)生一次波和二次波，這些波會持續(xù)抑制產(chǎn)生音爆的弓形波的形成，從而達(dá)到削弱或者消除音爆的效果。

帝企鵝游泳時(shí)，藏在羽毛下的空氣形成氣泡，這些氣泡降低了海水對帝企鵝的阻力。

目前，布蘭克森所做的一些初步實(shí)驗(yàn)已經(jīng)取得了成功，不過，這還只是開始，還有大量的問題需要解決，比如什么樣的激光脈沖抑制弓形波形成的效果最好、激光發(fā)射器如何設(shè)計(jì)才更輕、功率才能滿足真正的飛機(jī)使用等。看來，未來超音速飛機(jī)實(shí)現(xiàn)無聲飛行是有可能實(shí)現(xiàn)的。

斑海豹生活在西北太平洋，長相呆萌，它們的胡須形狀更可愛，像是燙過的波浪卷發(fā)。別小看這些胡須，它們的樣子無關(guān)美貌，而是關(guān)乎生存。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，斑海豹波浪狀的胡須與直的胡須相比，能產(chǎn)生更小的尾流、更弱的湍流和受到更小的阻力。這樣一來，斑海豹在游泳時(shí)，胡須也能保持相對靜止，從而可以完美地完成胡須的任務(wù)——感應(yīng)小龍蝦在黑暗的北極海域產(chǎn)生的微小振動，幫助斑海豹捕捉小龍蝦，以解決溫飽問題。

美國宇航局的研究人員從斑海豹的胡須得到靈感，研發(fā)一款低阻力、單側(cè)有波紋的渦輪葉片。之所以是單側(cè)有波紋，是因?yàn)楫?dāng)空氣和燃料廢氣的混合物沖過渦輪葉片時(shí)，葉片必須有一個(gè)低壓側(cè)（如機(jī)翼頂部）和一個(gè)高壓側(cè)（如機(jī)翼底部），這樣才能確保葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)有向上的推力，使飛機(jī)保持飛行高度。

在研究過程中，研究人員繪制斑海豹胡須的參數(shù)圖，創(chuàng)建了放大版的3D模型，并在風(fēng)洞中進(jìn)行測試。結(jié)果顯示，就像在水中一樣，胡須的波浪形狀有助于保持水流附著在它們的表面。如果將飛機(jī)的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的渦輪葉片做成類似斑海豹須的樣子，那么就能減少湍流的產(chǎn)生，減小阻力。

研究人員對比了光滑的渦輪葉片模型和有波浪結(jié)構(gòu)的葉片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)后者確實(shí)受到的阻力更小，產(chǎn)生的湍流更少，如果模仿斑海豹須，將渦輪葉片加以改造，可以提高飛機(jī)的動力，降低燃油消耗，降低噪音。研究人員對此信心十足，預(yù)計(jì)在未來五年內(nèi)，這個(gè)來自斑海豹波浪卷胡須的靈感將能進(jìn)行應(yīng)用測試。

大自然中有許多線條柔美但卻堅(jiān)固的東西，比如有著彎曲線條的樹木，被大自然塑造過的圓潤的石塊等。人們早已領(lǐng)略大自然中的這種剛?cè)岵?jì)的美感，并應(yīng)用到了建筑和家具的設(shè)計(jì)、藝術(shù)作品的創(chuàng)作等方面，飛機(jī)的制造是否也能參考這種剛?cè)岵?jì)呢？

事實(shí)上，飛機(jī)的外形已經(jīng)借鑒了大自然，它的外形具有流線型，而不是方形或者其他多邊形，這有利于飛機(jī)在天空中飛行。但是工程師們覺得這還不夠，飛機(jī)的其他部件還可以更柔美，能彎曲和扭轉(zhuǎn)的變形飛機(jī)飛行操縱面就是他們想要改造的部分。飛機(jī)的飛行操縱面包括飛機(jī)的升降舵、副翼、方向舵、前緣縫翼、襟翼、擾流板等，它們的作用是在飛機(jī)飛行和在地面高速滑行時(shí)協(xié)助操控飛機(jī)。

在傳統(tǒng)的飛機(jī)上，飛行操縱面是由鉸鏈連接剛性板而成，這種操縱面會產(chǎn)生阻力。而可變形操縱面則具有靈活性，這種靈活可變的外形通過調(diào)整組成操縱面的材料，或者表面之下的復(fù)合梁來實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，可變形飛行操縱面不是一個(gè)新的概念，2014年到2017年，美國宇航局研制的灣流Ⅲ型噴氣式飛機(jī)上就配備了可變形襟翼，結(jié)果顯示飛行時(shí)燃油效率提高了3%～4%。其他的實(shí)驗(yàn)也證明，可變形操縱面確實(shí)能為飛機(jī)節(jié)省燃油。

此外，新的可變形操縱面將消除縫接或鉸鏈帶來的阻力，可以說，飛機(jī)的飛行操縱表面就是“一個(gè)連續(xù)的表面”。靈活的、鉸接的過渡面將能像扇子一樣展開，保持機(jī)翼的固定部分與可變形操縱面相連。

現(xiàn)在，這種新設(shè)計(jì)的可變形飛行操縱面已經(jīng)完成了測試，應(yīng)用在真正的飛機(jī)上指日可待。