航空小知识：飞机设计制造中的仿生学

仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学。日常生活中的很多发明都来源于自然界的仿生原理，飞机的设计制造也不例外。

机翼曲线与鸟类。1800年左右，英国科学家、空气动力学的创始人之一凯利，模仿山鹬的纺锤形，找到阻力小的流线型结构。凯利还模仿鸟翅设计了一种机翼曲线，对航空技术的诞生起了很大的促进作用。同一时期，法国生理学家马雷，对鸟的飞行进行了仔细的研究，在他的著作《动物的机器》一书中，介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹也从研究飞行动物中，发现飞行动物的体重与身体的线度的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行物体身体大小的局限。人们通过对鸟类飞行器官的详细研究和认真的模仿，根据鸟类飞行机构的原理，终于制造了能够载人飞行的滑翔机。

雷达导航与蝙蝠。蝙蝠是在夜里飞行的，还能捕捉飞蛾和蚊子；而且无论怎么飞，从来没见过它跟什么东西相撞。为了弄清楚这个问题，100多年前，科学家做了三次不同的试验证明，蝙蝠夜里飞行，靠的不是眼睛，它是用嘴和耳朵配合起来探路的。它能够用嘴发出超声波后，在超声波接触到障碍物反射回来时，用双耳接收到。科学家模仿蝙蝠探路的方法，给飞机装上了雷达。雷达通过天线发出无线电波，无线电波遇到障碍物就反射回来，显示在荧光屏上。驾驶员从雷达的荧光屏上，能够看清楚前方有没有障碍物，所以飞机在夜里飞行也十分安全。

翼尖小翼与鹰隼。飞机在飞行中由于上下压差的不同，翼尖附近机翼下表面空气会绕流到上表面，形成翼尖涡，致使翼尖附近区域机翼上下表面的压差降低，从而导致这一区域产生的升力降低。这是产生诱导阻力的根源。人们通过长期观察自然界大型鸟类，比如鹰和隼，发现它们在飞行中展开翅膀向上偏折翅尖羽毛以减小阻力，从而实现远距离滑翔。受此启发，有专家提出在翼尖加装短板来减小诱导阻力的想法。后来，设计师们不断研究，发明了翼尖小翼，并将其安装在运输飞机上，以减小飞机的阻力。

机身蒙皮与蒙古弓。飞机的机身是由蒙皮包裹的，然后再将受力传递到翼梁和翼肋。同时，蒙皮的完整性也影响着飞机整体的气动性能。因此，蒙皮的强度关系到整架飞机的结构安全。数百年前蒙古铁骑的战弓引起了设计师们的兴趣。为适应马上作战，蒙古弓要做的短小，但又要保证弓的强度。聪明的古人采用了复合材料的方法，他们用水牛角和鹿腱来加强弓的强度。设计师们由此获得启发，将玻璃纤维与铝合金相结合，完成了适应现代大飞机要求的复合材料。

机翼震颤与蜻蜓。飞机在高速飞行的时候，机翼会发生颤振现象。也就是说，飞机的翅膀会不由自主地振动，这种有害的振动可能造成翼折人亡的惨剧。被誉为昆虫里“飞行之王”的蜻蜓，它在振翅飞行时，也会遇到有害的颤振现象。但是，神奇的造物者赋予了它们消除这种现象的方法。蜻蜓每一片翅膀前缘的上方，都有一块加厚的深色角质层或称色素斑，叫翅痣。这就是它们消除颤振隐患的特殊装置。科学家虚心向蜻蜓学习，在飞机机翼前端的边缘，像打补丁一样，安装了一块长方形的金属板，称为抗震颤装置。昆虫的小技巧，帮助人类解决了大问题。

机翼表面与海鸟。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。运用此原理，新型的空客A350 XWB通过安装在机头的探测器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。

飞机涂料与鲨鱼皮。自适应表面的设计与开发是飞机设计具备显著环境适应性的领域，要从自然界寻找灵感。今天的民用客机，40%的阻力可归结于湍流边界层。连续的自适应表面可以破坏这层湍流然后消除蒙皮摩擦阻力。拉条（飞机表面顺气流方向的一行小沟）可以减少4-7%的蒙皮摩擦力。但是拉条很容易损坏，所以是个重大工程问题。不过，德国弗劳恩霍夫研究所设计了一种涂料，模仿鲨鱼皮并加入了类似拉条的小沟，可以用蜡纸版作为飞机最外侧涂层。该涂料包含纳米件，保证它可以抵挡紫外线而改变温度。研究所表示该涂料应用到飞机上可以每年节省448万吨燃油。

机舱设备与荷叶。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。

列阵飞行与大雁。在自然界中，大雁迁徙时会列阵集体飞行以节省能量并增加飞行距离。列阵飞行时，领头雁的翅膀会产生漩涡状气流，其后的雁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，称之为“尾涡”（Trailing Vortex）。军用飞机经常利用列阵飞行减少能耗。目前，客运喷气式飞机出于安全考虑，还没有使用这种方法。

飞机降落与苍蝇。苍蝇一旦起飞，可在0.15秒内加速至每小时10公里的速度。苍蝇飞行时的转向角速度可达每秒6个旋转，即2160度。苍蝇还能垂直上下飞行，甚至倒退飞行，即使因撞到障碍物而突然失速，也可以在几毫秒内恢复飞行。不管在哪种表面，苍蝇都能轻巧地达成零速度着地。昆虫学家研究发现，苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。当它飞行时，平衡棒以一定的频率进行机械振动，可以调节翅膀的运动方向，是保持苍蝇身体平衡的导航仪。科学家据此原理研制成一代新型导航仪--振动陀螺仪，大大改进了飞机的飞行性能LlJ，可使飞机自动停止危险的滚翻飞行，在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡，即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。

机翼结构与蝴蝶。蝴蝶可谓是地球上最精美的生物之一，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。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。

气动噪声与猫头鹰。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。

喷气发动机与乌贼。根据牛顿第三定律，作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力。事实上，这一原理在海洋生物中也是早就存在的。比如乌贼（墨鱼）、水母的反冲原理。乌贼遭到危险时，能从腔内喷出一束墨汁，一方面把水的颜色弄深，一方面提供反作用力向前迅速窜逃。飞机喷气发动机推进的原理也是如此。喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，在此过程中，发动机向气体施加力，使之向后加速，气体也给发动机一个反作用力，推动飞机前进。

(原标题：航空小知识：飞机设计制造中的仿生学)