梅亞飛+賀子鵬+李一銘

摘 要：“師法自然”是我國(guó)古老的科學(xué)理念，也是最為樸素的仿生學(xué)原理。因此仿生學(xué)對(duì)于人類技術(shù)發(fā)展起到了不可忽視的促進(jìn)作用。文章針對(duì)仿生學(xué)在飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐，開(kāi)展了設(shè)計(jì)原理與技術(shù)意義研究，為仿生學(xué)在飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供理論支持。

關(guān)鍵詞：飛行器；設(shè)計(jì)；仿生學(xué)；應(yīng)用

隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)飛行器技術(shù)自主設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展。在這一研究過(guò)程中，大量傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)得到了創(chuàng)新性發(fā)展，為設(shè)計(jì)質(zhì)量提升提供了有效的支持。其中仿生設(shè)計(jì)技術(shù)，作為一項(xiàng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)理念，在當(dāng)前的飛行器設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。因此飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)人員，結(jié)合仿生技術(shù)傳統(tǒng)與新型理念，開(kāi)展了針對(duì)性的設(shè)計(jì)技術(shù)研究，為飛行器設(shè)計(jì)質(zhì)量提升提供支持。

1 飛行器設(shè)計(jì)中常用的仿生學(xué)理念

仿生學(xué)作為一門傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與技術(shù)學(xué)科，幾乎伴隨著人類歷史產(chǎn)生，并在1960年確定了“仿生學(xué)”科理論。仿生學(xué)在實(shí)際的應(yīng)用中包括了力學(xué)、能量、控制、應(yīng)用等各種科學(xué)理論內(nèi)容。單就飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域而言，我們常用的仿生學(xué)理念包括了以下幾類。

1.1 形態(tài)仿生

形態(tài)仿生是通過(guò)對(duì)動(dòng)植物的形態(tài)進(jìn)行模仿的仿生學(xué)科，也是人類最早的仿生類型。在飛行器設(shè)計(jì)中，從最早的滑翔機(jī)到航空航天飛行器都有明顯的形態(tài)仿生特征。如最早的達(dá)芬奇繪制的飛行器設(shè)計(jì)圖中，就是通過(guò)模仿蝙蝠形態(tài)進(jìn)行的設(shè)計(jì)。在當(dāng)前的飛行器設(shè)計(jì)中，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)理念極為普遍。如雙翼形態(tài)、流線性體型、尾翼平衡狀態(tài)等，都是對(duì)鳥(niǎo)類形態(tài)的一種仿生設(shè)計(jì)。同時(shí)部分設(shè)計(jì)研究者還提出了模仿魚類、昆蟲等身體形態(tài)，進(jìn)行飛行器形態(tài)設(shè)計(jì)。如科拉尼在1977年為波音公司設(shè)計(jì)一款飛機(jī)，就模仿了海洋動(dòng)物巨齒鯊，顛覆了已有飛行器的傳統(tǒng)形態(tài)。而在當(dāng)前微型無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者往往模仿昆蟲類動(dòng)物形態(tài)開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，為飛行器形態(tài)發(fā)展提供新的發(fā)展思路。

1.2 功能仿生

功能仿生是指在飛行器設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)動(dòng)物的功能進(jìn)行模仿，進(jìn)而為飛行器技術(shù)功能的實(shí)現(xiàn)提供幫助。在飛行器設(shè)計(jì)中，功能仿生的應(yīng)用也較為普遍。如在飛機(jī)降落過(guò)程中，為了提高起落架的安全性，設(shè)計(jì)者模仿鳥(niǎo)類腳步彈性減震作用，設(shè)計(jì)出彈性減震起落架，提高了飛行器起落中的安全性與舒適性。而在夜間航行中，設(shè)計(jì)者模仿蝙蝠微波導(dǎo)航作用，設(shè)計(jì)出雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)，提高了飛機(jī)夜間飛行的安全性。隨著飛行器設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，其對(duì)于動(dòng)物的功能模仿也更加深入，其中較為明顯的是航天器設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)者通過(guò)對(duì)墨魚噴射功能的模仿，設(shè)計(jì)出的飛行火箭與導(dǎo)彈飛行功能，在當(dāng)前的航天飛行設(shè)計(jì)依然得到了廣泛采用。又如在飛行控制過(guò)程中，將象鼻蟲對(duì)于視動(dòng)反應(yīng)的功能進(jìn)行仿生研究，研制出自相關(guān)測(cè)速儀設(shè)備，用于在飛行器降落過(guò)程中用于飛機(jī)著陸速度測(cè)定工作，提高了飛機(jī)降落的安全性。

1.3 肌理仿生

肌理仿生是一種新型的仿生學(xué)技術(shù)，其技術(shù)理念就是通過(guò)對(duì)動(dòng)物肌理特征與構(gòu)成進(jìn)行研究，通過(guò)仿生技術(shù)為飛行器設(shè)計(jì)提供支持。與形態(tài)仿生比較，肌理仿生在應(yīng)用中更重視表面材料與結(jié)構(gòu)構(gòu)成的內(nèi)在特性。如設(shè)計(jì)者通過(guò)對(duì)昆蟲類動(dòng)物（如甲蟲類、瓢蟲類動(dòng)物等）外殼肌理構(gòu)造進(jìn)行研究，并將其肌理構(gòu)造應(yīng)用與飛機(jī)外殼設(shè)計(jì)，既可以很好的降低飛機(jī)整體重量，同時(shí)提高了飛機(jī)外殼的堅(jiān)固性。作為一項(xiàng)新型的仿生技術(shù)學(xué)科，肌理仿生在飛行器設(shè)計(jì)中依然居有較大的上升空間，進(jìn)而為飛行器設(shè)計(jì)提供新的發(fā)展空間。

1.4 意象仿生

意象仿生是設(shè)計(jì)者對(duì)自然現(xiàn)象以及動(dòng)物特性進(jìn)行觀察、分析、思考、總結(jié)，并將其引入飛行器設(shè)計(jì)，形成整體化設(shè)計(jì)體系的一種仿生理念。與其他仿生技術(shù)比較而言，意象仿生更加注重理念與設(shè)計(jì)思維模式的實(shí)現(xiàn)，因此其對(duì)設(shè)計(jì)者提供了較高的設(shè)計(jì)要求。因此在意象仿生設(shè)計(jì)中，往往通過(guò)設(shè)計(jì)名稱就可以對(duì)飛行器特點(diǎn)產(chǎn)生直觀認(rèn)識(shí)。如著名的“金雕”蘇-47多功能戰(zhàn)斗機(jī)，就是利用對(duì)金雕飛行速度與戰(zhàn)斗力的體現(xiàn)，對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行命名。與之相同的飛行器命名方式還包括了“大黃蜂”、“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)，“全球鷹”無(wú)人偵察機(jī)以及“蜜蜂”系列微型直升機(jī)等。

1.5 人體仿生

在當(dāng)前的飛行器設(shè)計(jì)中，仿生學(xué)的應(yīng)用不僅局限在動(dòng)物仿生階段，人力仿生學(xué)也得到了有效的應(yīng)用。這種應(yīng)用主要應(yīng)用在以下兩個(gè)內(nèi)容。一是在載人飛行器的內(nèi)部設(shè)計(jì)中，人體仿生與人力力學(xué)的應(yīng)用，可以提高飛行器駕駛與乘坐者在飛行過(guò)程中的舒適性。如使用人體仿生學(xué)設(shè)計(jì)的飛行器座椅，可以降低駕駛員與乘坐者的疲勞感，保障了長(zhǎng)途飛行的感受質(zhì)量。二是提高了飛行中的技術(shù)性。對(duì)于部分技術(shù)性與危險(xiǎn)性較高的飛行問(wèn)題，人體仿生學(xué)也可以發(fā)揮出重要作用。如在載人航天飛行中，利用人體仿生學(xué)設(shè)計(jì)的機(jī)械臂設(shè)備代替宇航員完成太空作業(yè)，可以很好的提高宇航飛行的安全性。

2 仿生學(xué)在飛行器應(yīng)用中的應(yīng)用意義

在我國(guó)與國(guó)際飛行器設(shè)計(jì)研究中，仿生學(xué)的應(yīng)用一直是設(shè)計(jì)者應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念。在未來(lái)的飛行器設(shè)計(jì)中仿生學(xué)的應(yīng)用可以發(fā)揮出以下作用。

2.1 提高飛行器整體性能

在飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，仿生技術(shù)的應(yīng)用對(duì)其飛行、降落、應(yīng)用等各項(xiàng)功能都有著重要的促進(jìn)作用。因此在未來(lái)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，仿生學(xué)的應(yīng)用在飛行器設(shè)計(jì)中可以起到良好的性能提升作用。如利用肌理仿生技術(shù)理念，我們可以利用飛行器涂料的技術(shù)，減少飛行器飛行中阻力進(jìn)而提高其飛行速度，就是利用仿生技術(shù)提高飛行器飛行性能的一種技術(shù)措施。同時(shí)在飛行器輔助性能的技術(shù)設(shè)計(jì)中，仿生技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。如在飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們可以借鑒候鳥(niǎo)飛行中的導(dǎo)航原理，利用GPS、北斗等定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息化導(dǎo)航模式，設(shè)計(jì)出全新的導(dǎo)航系統(tǒng)，提高飛行導(dǎo)航技術(shù)的安全與穩(wěn)定性。

2.2 實(shí)現(xiàn)飛行器環(huán)保性能

隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，利用仿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛行器的環(huán)保性能，也是仿生學(xué)在飛行器設(shè)計(jì)中的重要作用。如在小型飛行器設(shè)計(jì)中，我們可以利用形態(tài)仿生原理，提高飛行器對(duì)氣流、空氣浮力的利用率，進(jìn)而降低飛行中對(duì)于油、電能源的消耗，進(jìn)而提高其環(huán)保性能，就是仿生學(xué)在飛行環(huán)保性能中的促進(jìn)作用。同時(shí)在飛行器配套技術(shù)的應(yīng)用中，仿生學(xué)也可以發(fā)揮出重要的環(huán)保作用。如在客機(jī)設(shè)計(jì)中，我們可以利用仿生學(xué)原理為客機(jī)提供環(huán)保的服務(wù)系統(tǒng)，如可再生材料的座椅設(shè)備等，繼而實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)的環(huán)保理念。

2.3 為飛行器設(shè)計(jì)提供新的思路

飛行器是人類技術(shù)發(fā)展的重要產(chǎn)物，其設(shè)計(jì)發(fā)展依然具有較大的設(shè)計(jì)空間。但是在目前的飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)者遇到了技術(shù)瓶頸，造成了新型飛行器設(shè)計(jì)創(chuàng)新困難的問(wèn)題。在當(dāng)前的飛行器外形設(shè)計(jì)中，我們將設(shè)計(jì)目光從鳥(niǎo)類仿生轉(zhuǎn)移到魚類仿生中，利用海洋魚類防水阻力的外形特性，利用仿生技術(shù)提高飛行器的飛行性能，如在未來(lái)飛行器設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者利用仿蝠鲼（即魔鬼魚）形態(tài)，提出了大型客機(jī)的設(shè)計(jì)理念，為未來(lái)大型與超大型客機(jī)設(shè)計(jì)提出了新的技術(shù)思路。

總而言之，仿生學(xué)原理在飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，一方面提高了飛行器的技術(shù)含量，提高了飛行器飛行、導(dǎo)航、服務(wù)等各項(xiàng)功能的發(fā)展；另一方面為新型飛行器設(shè)計(jì)提供了新的發(fā)展思路。在形態(tài)仿生、功能仿生、肌理仿生、意象仿生以及人體仿生技術(shù)支持下，我國(guó)的飛行器設(shè)計(jì)工作將迎來(lái)新的時(shí)代。

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作者簡(jiǎn)介：梅亞飛（1995，07-），籍貫：湖北省黃岡市，研究方向：探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)。