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大自然来“造”飞机
来源:《中国民航报》2021-02-26 15:41:00

蜻蜓、鹰隼、鲨鱼、荷花这些大自然中的动植物与飞机设计有什么关系?其实,有一个专门的学科可以给你答案,它就是仿生学。在航空领域,越来越多的新想法都是从大自然中汲取的灵感,从动植物各种各样的结构、器官和材料中找寻创意来解决飞机制造遇到的种种问题。今天,我们就来看一看飞机设计和制造是如何向大自然借鉴的。

机翼颤振与蜻蜓

在万米高空飞行可不是一件容易的事。飞机在高速飞行的时候,机翼会发生颤振现象。颤振是一种复杂的气动弹性不稳定现象,会对飞机飞行安全构成极大的威胁。通俗来说,当飞机在气流中运动并到达某一速度时,在非定常空气动力、惯性力和弹性力的相互作用下,刚好使其振动持续下去,就发生了颤振。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。

大自然中,也有昆虫会出现类似的现象——被誉为昆虫“飞行之王”的蜻蜓在振翅飞行时,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。

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蜻蜓消除颤振的奥妙就在于那两对奇妙而透明的翅膀。它们长而窄,膜质轻盈,网状翅脉极为清晰。值得注意的是,蜻蜓前后翅的前缘都有一处深色的不透明斑纹,呈正方形或长方形,称为翅痣。这就是它们消除颤振隐患的特殊装置。它是一个加厚的含有液体的空腔,虽然翅痣的重量只有翅重的0.1%,但如果把它去掉,蜻蜓飞起来就会摇摇摆摆,飘忽不定,并且发出“哧哧”的声音。如果没有翅痣,蜻蜓飞行达到一定速度后就会产生颤振,使翅膀折叠,进而受伤。有研究表明,翅痣可以帮助蜻蜓提高10%~25%的滑翔速度。

受其启发,飞机设计师在机翼末端的前缘,像打补丁一样各加了1块类似翅痣的长方形金属板,也被称为抗震颤装置,这样就能有效消除机翼的颤振,很好地解决了航空史上飞机由于剧烈震动而时常发生的机翼断裂问题。

那么,有些朋友可能会问了,直升机上有“翅痣”吗?区别于传统客机,直升机飞行过程中的主要震源是旋翼的转动,其通常采用调整桨叶角度和转速等方式来减小震动,其原理与翅痣“增重”减震的原理并不相同。所以,直升机的旋翼上并没有“翅痣”。

翼尖小翼与鹰隼

翼尖小翼,又称作翼尖帆或翼端帆,业界称翼梢小翼,位于飞机机翼的翼梢,有单上小翼、上下小翼等多种形式。其通常用于提高固定翼航空器机翼的效率,也可用来改善航空器的操纵特性。

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飞机在维持正常飞行时,其所需的升力是靠机翼上下表面的压力差产生的。由于上下表面压差的存在,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,这也是产生诱导阻力的根源。那么如何减小这种阻力呢?

大自然来告诉你答案。与飞机类似,对于像鹰和隼这样的大型鸟类,如果其翅膀过长,转向时的半径就会过大,从而使其在飞翔时无法利用热空气柱上升。但是,鹰的翅膀完美地结合了最大的升力和最小的翅膀长度,它们在飞行时会将翅尖羽毛向上卷曲,从而形成近90度的夹角。这种形态可以减小空气中的漩涡,提高鹰的飞行效率,并且可以实现远距离滑翔。

受此启发,有专家提出在飞机翼尖加装短板来减小诱导阻力,从而实现飞机在高空低阻力滑翔。后来,经过设计师们不断研究,最终发明了翼尖小翼,并将其安装在飞机上,像鹰一样,以减小阻力。

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然而,飞机翼尖小翼的形状可不像鹰一样都是相同的,其会根据飞行型号的不同有所变化。比较典型的翼尖小翼用在如波音747-400型飞机、空客A330和空客A340系列的飞机上。另一种三角形翼尖小翼则在空客A320系列、空客A310和空客A380飞机上使用。

翼尖小翼不仅可以减小阻力,其还可以阻碍上下表面的空气绕流,减小因翼尖涡造成的升力诱导阻力,减少绕流对升力的破坏,提高升阻比,达到增加升力的目的。对于有动力航空器来说还可降低油耗。

飞机涂料与鲨鱼皮

还记得当年在世界泳坛引起轰动的鲨鱼皮泳衣吗?这种利用仿生技术、模仿鲨鱼皮制作的泳衣,能够极大减小水的阻力,许多选手穿着它劈波斩浪,创造了一个又一个世界纪录。

最终,这项技术由于涉嫌影响赛事公平公正,被禁止在比赛中使用。

不过人类对于鲨鱼皮的研究并未停止。鲨鱼皮表面充满了微小的沟槽结构。例如灰鲭鲨——世界上游得最快的鲨鱼——的身体两侧和鱼鳍上就有成排的微小凸起的鳞突。研究人员认为,这可能是灰鲭鲨拥有闪电般游泳速度的关键。发现线索后,研究人员利用CT扫描研究其齿状鳞片结构,还采用建模和3D打印还原了其结构,并把它们用20多个不同的排列、位置和尺寸的模型放置于水流箱体中做测试,最终发现这种结构可以减小鲨鱼在水中的阻力,并有利于其在捕食时保持体力。

飞机在空中高速飞行时也会遇到和鲨鱼一样的挑战——巨大的阻力。其中,空气阻力的40%来源于“边界层分离”——当物体在移动时,其表面附带一层近乎静止的水或空气,这时就会出现产生把物体向后拖拽的漩涡。细心的读者一定也发现了,生活中高尔夫球上的凹坑就是模仿鲨鱼皮,通过球体表面的凹坑打破这一附面层,让球飞得更远。那么,如果把对鲨鱼皮的研究运用到飞机上,是不是也能减小来自空气的阻力。

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为此,某研究所设计了一种涂料,模仿鲨鱼皮加上了相似的小沟,并用蜡纸版作为飞机最外侧涂层。该涂料可以抵挡紫外线,正如“鲨鱼皮”结构能使运动中的鲨鱼减少能量消耗,这些微小的沟槽也将帮助喷气式飞机降低油耗。该研究所表示应用该涂料可以使航空公司每年节省448万吨燃油。

机舱设备与荷叶

“结亭临水似舟中,夜雨潇潇乱打蓬。荷叶晓看元不湿,却疑误听五更风。”

宋朝江万里《荷花》中描绘出一个场景——听见夜雨潇潇,打在了荷叶和亭子上面。白天去看雨后荷花,却发现荷花荷叶并不沾水。

这世上有很多花木,唯有荷叶不沾水。研究表明,这是因为在荷叶的表面有一些细小的凸起。这些在显微镜下才能看到的小凸起,其空隙被空气填满。当雨水打下来时,再小的水滴也会在这些小凸起上滚来滚去。也就是说,在雨水和荷叶之间存在着一点距离,它让荷叶有了神奇的自洁功能。

科学家受此启发,模拟莲叶做了实验,发明了纳米自洁衣料和建筑涂料。如此,只需在衣料或涂料上加一点水,使之形成水滴,水滴跌落而灰尘尽去,衣物和建筑便可得以自我保洁。在沙特阿拉伯,已经有这样的建筑物了。这样的建筑表面,自然用不着劳驾工人去辛苦清洗。不仅如此,现代生活中也有很多日常用品使用了这项技术。例如采用超疏水纳米涂层的雨伞,其可以做到滴水不沾,完全不用担心湿漉漉的雨伞会把包包弄湿,上一秒拿来挡雨,下一秒就能塞进包里。

那么,在飞机客舱内,干净整洁的环境是必不可少的,飞机上能否运用荷叶的自洁功能呢?答案是肯定的。

人们同样在机舱设备涂层设计上寻找到了灵感。在客舱内部有专门的涂层,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。目前,该设计已经在空客飞机上的卫生间内得到了应用。未来,座椅和地毯的材料也很可能运用这样的设计。(《中国民航报》、中国民航网 记者郭子超)

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