飞行器设计中的仿生学应用探析

王昊天

(阜新市高级中学,辽宁阜新 123000)

随着我国航空航天技术的不断发展,我国飞行器技术自主设计研究领域得到了极大的发展。在这一研究过程中,大量传统设计技术得到了创新性发展,为设计质量提升提供了有效的支持。其中仿生设计技术,作为一项传统的设计技术理念,在当前的飞行器设计中得到了广泛应用。

1 飞行器设计中常用的仿生学理念

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。

20世纪60年代,美国J.E.St e e le首次提出仿生学(Bionics)一词,它是依据生物长时间适应环境所形成的规律去解决人类需求的一门交叉性学科。仿生学涉及到生物学、人体工程学、动力学、材料学、物理学等,并根据各学科特点去分析、研究、解决相关问题。20世纪成为了技术与科学的结合体时代,仿生学被广泛地应用到了工业设计行业中。随着新型材料的出现及技术的提升,飞行器的仿生学研究成为了航空领域的聚焦点,因其在军事和民用上都有广阔的应用前景,许多国家都已经投入大量精力去研发仿生的飞行器。

仿生学在飞行器上的最初模仿方式使得许多人对仿生学的认识产生一定的误区,把仿生学的应用仅仅禁锢在形态的模仿。飞行器设计不仅仅有表象的形态仿生,还有内部的结构仿生、功能仿生、肌理仿生等。其仿生的宗旨是满足其功能需求,因此,我们强调飞行器仿生设计的合目的性。

1.1 形态仿生

地面上的车辆都长得像圣甲虫、土鳖虫,天上的飞机都像魔鬼鱼、U F O甚至侏罗纪时代的恐龙。海豚形飞机、天鹅形飞机、海鸥形飞机、魔鬼鱼形飞机。宙比航空公司声称,S 2飞机能够在一小时内搭载两人在纽约和波士顿间飞行,全程为322公里。Fly Citycopter借鉴三轮摩托车的稳定性和易操纵性,这让驾驶者方便操纵,几乎跟发动汽车一样在飞行器设计中,从最早的滑翔机到航空航天飞行器都有明显的形态仿生特征。

1.2 功能仿生

功能仿生指飞行器模仿自然界生物的功能,来解决自身需求。功能仿生是近年来仿生学应用最多的一种方式,在飞行器设计中功能仿生尤为突出。如鸮的静音飞行特性能够处理飞行器降噪的问题,苍蝇平衡棒的导航原理保证飞行器的稳定性。生物经过长期进化,形成了独特而复杂的结构,以便适于生存。飞机在空中高速飞行时,外力作用所产生的频率与机身的自然频率达到一致时,产生共振现象,当振幅变大后会导致机翼的折断,这种破坏性振动在空气动力学中称为颤振。为了解决颤振现象,科学家们针对蜻蜓翅膀的结构进行研究,发现一个异于其它颜色的结构——翅痣,它能够抗颤振,防止蜻蜓自身与外力的频率产生共振。

1.3 肌理仿生

肌理仿生是指人类借鉴自然生物的表面肌理去增强飞行器的形态功能意义。与形态仿生相较,肌理仿生更注重对器形表面材料的仿生研究,因此,肌理仿生不仅仅是一种外在视觉上的表象,它更是一种内在功能性的需求。由于肌理仿生需要对材料学的研究,所以仿生的范围从宏观推到微观的世界中。作为一项新型的仿生技术学科,肌理仿生在飞行器设计中依然居有较大的上升空间,进而为飞行器设计提供新的发展空间。

1.4 典型例子

(1)鸮,静音杀手,并且可以极速改变翅膀角度,翼展保证在树林中快速飞行并且不会碰撞树干。(2)蜂鸟在采食花蜜时快速扇动翅膀可以达到空中悬停的效果。(3)海中巨大的蝠鲼可以奋力一跃飞出水面。(4)同时借助良好的流线型身体鲣鸟完全可以在水中高速游动,已经具备了海空两栖能力。(5)鱼鹰(鸬鹚)其实也具备这个能力。如果一款反舰导弹或者舰载机也具备这个能力的话,没准会对军舰防空系统带来极大挑战。

1.5 人体仿生

(1)人体仿生学在飞行器内部中使用,人体仿生学与力学相结合,可以全面提高飞行器驾驶与乘坐员之间相互结合以及舒适性的感觉,比如说人体仿生学设计的飞行器作业可以减少驾驶员与乘坐者感到的劳累,驾驶员在经过长时间的飞行过之后,能够减轻其飞行的劳累程度,可以进一步保障长时间飞行的感受质量。(2)提高了飞行中的技术性。对于技术性和危险性,人体仿生学也可以解决该问题发生的频率,使用人体仿生学将问题进行解决和控制,针对具体的问题做出具体的分析。比如说在载人航天飞行当中,人们使用仿生学对机械的设备进行设定,这样做可以完全将航天员的工作进行替代,完成作业。在一定的程度上将保证了航天员的安全性,可以进一步促进航天工作的稳步进展开来。

2 在飞行器应用中的应用意义

2.1 提高飞行器利用效率

从可持续发展的角度,仿生学是未来飞行器设计的趋势,它既可以解决实际问题,又可以减少对环境的负重。仿生学就像一只潜力股,有待我们去研究发现,更好地提高飞行器的利用率。

2.2 实现飞行器环保性能

随着当前社会的不断发展与进步,环保意识在不断的增强,专业人员利用仿生技术实现飞行器的环保,环保在飞行器设计当中占据着重要的位置。比如说小型飞行器设计当中,专业人员可以使用形态仿生的原理,全面提高对飞行器对气流、空气浮力的使用效率,这样做可以在很大的前提条件下减少对电源的消耗,进一步做到环保效果,也就是仿真学在环保性能当中最低的体现。为进一步推动着飞行器环保性能的方向发展,在飞行器配套技术中仿生学也可以使用环保的做技术,全面达发挥其对配套技术的使用,比如说在客机设计当中,专业人员可以利用仿生学的原理为乘客提供环保的服务体系,也可以用再生的材料对座椅和设备进行设计,不仅可以增加人们使用的舒适程度,也可以将环保的意识设计使用在飞行器当中。

2.3 为飞行器设计提供新的思路

在当前的飞行器外形设计中,我们将设计目光从鸟类仿生转移到鱼类仿生中,利用海洋鱼类防水阻力的外形特性,利用仿生技术提高飞行器的飞行性能,为未来大型与超大型客机设计提出了新的技术思路。

3 结语

根据上述状况来看,仿生学原理在飞行器的使用当中很全面,这样做全面提高了飞行器的技术,也提高了飞行器的飞行导航、服务等各项功能不断向前进步与发展,给我国仿生学飞行器设计使用奠定了基础;另一方面为新型飞行器设计提供了新的发展思路。在形态仿生、功能仿生、肌理仿生、意象仿生以及人体仿生技术支持下,我国的飞行器设计工作将迎来新的时代。

[1] 王怡达,郭岩,闻有禄.仿生学在飞行器设计上的应用及意义[J].飞机设计,2016,(1)：13-16.