張翰

北京市海淀實(shí)驗(yàn)中學(xué)

新型環(huán)保無聲飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)

張翰

北京市海淀實(shí)驗(yàn)中學(xué)

如今，飛機(jī)產(chǎn)生的噪音已經(jīng)成為了不可忽略的噪聲污染之一，給環(huán)境帶來了極大的污染，也給居民生活帶來了諸多不便。自飛行器誕生以來，人們便在減噪的領(lǐng)域不斷努力著，該論文將闡述一種運(yùn)用從貓頭鷹無聲飛行中得到的啟發(fā)來進(jìn)行減噪的方法，并初步對(duì)這種飛行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理化的構(gòu)想，希望能推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展，如果技術(shù)條件允許，可將這種無聲飛行器的概念設(shè)計(jì)付諸實(shí)際。

無聲飛行；仿生技術(shù)；新型機(jī)翼

引言

無聲飛行必將是飛機(jī)制造領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分，飛機(jī)的減噪對(duì)飛機(jī)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)都有著極其重要的作用。自飛機(jī)誕生以來的一百多年間，飛機(jī)的發(fā)展極其迅速，無論是性能還是外觀都有了質(zhì)的飛躍，其中，對(duì)于飛機(jī)飛行過程中噪聲的減弱，一直是一個(gè)問題。

無聲飛行有著很大的實(shí)際意義，在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在軍事方面，無聲飛機(jī)可用于軍事偵察，例如，小型的無聲飛行器潛入敵方基地，可以不費(fèi)一兵一卒的刺探敵方情報(bào)，并且戰(zhàn)斗機(jī)的減噪也是有利于隱蔽行蹤。另外，無聲飛機(jī)在民用方面也有著十分廣泛的應(yīng)用，無聲飛機(jī)的實(shí)現(xiàn)可大大減少機(jī)場(chǎng)附近的噪聲污染，從而促進(jìn)機(jī)場(chǎng)周邊的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并減少環(huán)境污染，這對(duì)于城市建設(shè)是十分有益處的。

一、背景介紹

在當(dāng)今時(shí)代，世界上的軍用和民用飛機(jī)都處在飛速發(fā)展的時(shí)期，航空運(yùn)輸已經(jīng)成為越來越普遍的交通與運(yùn)輸方式。而由于飛機(jī)速度的提升，飛機(jī)在飛行過程中的噪聲越來越大，而在日常生活中，常規(guī)的客機(jī)的噪聲一般都在90dB左右。而在軍事上，如果飛機(jī)噪聲過大，會(huì)增大暴露自身目標(biāo)的可能性，所以人們對(duì)于飛機(jī)的飛行與起落噪聲要求越來越苛刻，這樣，飛機(jī)的噪聲就成為一個(gè)日漸突出的問題。

目前，飛機(jī)主要的降噪手段是同步降低飛機(jī)后緣、起落架、增升裝置部分的噪聲源的噪聲水平，如改變飛機(jī)后緣與前緣機(jī)翼的結(jié)構(gòu)，消除機(jī)翼后部的凸起結(jié)構(gòu)，改變起落架的構(gòu)造，并通過環(huán)量控制、變形機(jī)翼、改變操作狀態(tài)等方式降低噪聲。還有通過添加動(dòng)力吸振器，設(shè)計(jì)微穿孔板消聲結(jié)構(gòu)等方式來降低飛機(jī)飛行時(shí)的噪聲。

二、設(shè)計(jì)理念

本文的無聲飛機(jī)機(jī)身將采用流線型設(shè)計(jì)，在保證速度的前提下盡量減小空氣振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲。本文充分利用仿生學(xué)，利用大自然的智慧，剖析貓頭鷹無聲飛行的特點(diǎn)，將無聲飛機(jī)變?yōu)榭赡埽x用鋸齒狀設(shè)計(jì)，減弱飛機(jī)在飛行過程中機(jī)翼后緣產(chǎn)生的渦流，從而進(jìn)一步減小飛行產(chǎn)生的噪聲。在能源選擇方面可選擇新型能源，減少飛機(jī)所產(chǎn)生的污染，提高燃燒效率，降低成本，做到真正的節(jié)能環(huán)保。如此，通過對(duì)貓頭鷹的研究，加上對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)，我們便可能設(shè)計(jì)出無聲飛機(jī)，從而給生活帶來更多便捷。

無聲飛機(jī)仍采用傳統(tǒng)飛機(jī)機(jī)翼的布局形式，但在機(jī)翼的設(shè)計(jì)上將采用不同的方案，充分利用仿生學(xué)的技術(shù)，采用新型材料，來達(dá)到減噪減振的目的，并考慮造價(jià)，提高飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

（一）仿生學(xué)的應(yīng)用，形成設(shè)計(jì)理念

貓頭鷹的翅膀具有很多其它鳥類都不具備的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)賦予了它無聲飛行的特點(diǎn)，使它成為了隱形的殺手。觀察貓頭鷹飛行，可以明顯發(fā)現(xiàn)貓頭鷹的翅膀的兩個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：首先，是貓頭鷹翅膀上羽毛與其他鳥類有所不同，在后緣部分，分布著很多類似于鋸齒狀的結(jié)構(gòu)；其二，貓頭鷹翅膀上的其它地方雖然沒有鋸齒狀的結(jié)構(gòu)，但都有柔軟的絨毛所覆蓋。這些結(jié)構(gòu)賦予了貓頭鷹無聲飛行的本領(lǐng)，這也是為什么貓頭鷹能夠悄無聲息的接近獵物的原因。本文設(shè)計(jì)的概念飛機(jī)著重于其機(jī)翼的設(shè)計(jì)，利用仿生技術(shù)，在通過對(duì)貓頭鷹翅膀的研究，初步設(shè)計(jì)出一種帶有鋸齒狀突起的機(jī)翼，進(jìn)而起到一定的減噪效果。

（二）采用新型材料，使其減重減噪

采用新型材料，降低飛機(jī)重量，減少其能耗，并降低飛機(jī)飛行過程中的振動(dòng)，使飛行更加平穩(wěn)。這樣一來，可使飛機(jī)更加的節(jié)能環(huán)保，并在降低飛機(jī)表面空氣振動(dòng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的減少飛機(jī)產(chǎn)生的噪音。

三、無聲飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）機(jī)身設(shè)計(jì)

利用仿生學(xué)原理，采用流線型設(shè)計(jì)，減小飛行時(shí)的空氣阻力，提高速度。采用新型材料，降低飛行過程中機(jī)身表面的空氣振動(dòng)，降低飛行速度對(duì)于噪聲產(chǎn)生的影響。

（二）側(cè)翼設(shè)計(jì)

根據(jù)貓頭鷹翅膀上的初級(jí)羽毛呈鋸齒狀排列的特點(diǎn)，在機(jī)翼后緣加裝鋸齒狀的突起，改變空氣流動(dòng)的角度，降低飛行過程中機(jī)翼后緣產(chǎn)生的渦流的影響，可有效的降低飛機(jī)起降過程中產(chǎn)生的噪音。同樣可以將發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪葉片的后緣設(shè)計(jì)為鋸齒狀，此舉將有效的降低發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的噪音，此原理還可以應(yīng)用到風(fēng)扇的減噪設(shè)計(jì)當(dāng)中，已有研究證明這對(duì)于風(fēng)扇減噪起到了作用。

（三）尾翼設(shè)計(jì)

在尾翼的設(shè)計(jì)上同樣可采用加裝鋸齒狀突起的方法，但由于尾翼產(chǎn)生的噪音的比重不是很大，所以還可采用在表面設(shè)計(jì)一些波浪狀的凹槽，使空氣分流，減少尾翼后端產(chǎn)生的渦流，降低其產(chǎn)生的噪音。

四、無聲飛機(jī)動(dòng)力設(shè)計(jì)

（一）發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

該飛機(jī)仍采用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，但是將風(fēng)扇后端改為鋸齒狀，以減少其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲。在能源方面選擇污染低，燃燒效率高的新型能源，減少環(huán)境污染，節(jié)約成本。在材料選擇上，可選擇耐高溫、重量輕的材料，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。

（二）太陽能電池板

出于對(duì)能源緊缺的考慮，可以在不影響飛行性能的前提下在一些部位加裝太陽能電池板，減少燃料的使用，這樣可以有效的降低飛行過程中的污染和能耗。

五、發(fā)展前景與展望

減噪一直是飛行器設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題。機(jī)場(chǎng)每日起降航班數(shù)的上限是與噪音等級(jí)有關(guān)聯(lián)的，如果能解決飛機(jī)在起降時(shí)的噪音問題，機(jī)場(chǎng)的噪音水平下降，那么機(jī)場(chǎng)每日起降的航班數(shù)就可以增多。這樣一來，機(jī)場(chǎng)的客流速度就可以加快，機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營效率就會(huì)提高，這對(duì)一些客流量大的大型機(jī)場(chǎng)是十分有益的。此外，減噪在軍事方面的用途更是不言而喻，無聲飛行在偵察時(shí)可派上大用場(chǎng)，可以悄無聲息的刺探情報(bào)。由此看來，盡管還有很多問題亟待解決，無聲飛行的前景必然一片廣闊。它涉及的領(lǐng)域廣泛，可以造福很多行業(yè)。

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