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8條飛機(jī)設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)原理
作者：Nhzy airbus 編譯：princeegypt
天鵝絨、鯊魚(yú)皮與飛機(jī)在空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新有何相干？在航空學(xué)領(lǐng)域，越來(lái)越多的新想法都來(lái)源于自

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8條飛機(jī)設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)原理
作者：Nhzy airbus 編譯：princeegypt
天鵝絨、鯊魚(yú)皮與飛機(jī)在空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新有何相干？在航空學(xué)領(lǐng)域，越來(lái)越多的新想法都來(lái)源于自然界中各種各樣的結(jié)構(gòu)、器官和材料。在未來(lái)，這些在大自然中經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次嘗試與檢驗(yàn)洗禮的設(shè)計(jì)仍將成為激發(fā)我們創(chuàng)意的巨大源泉。
天鵝絨、鯊魚(yú)皮與飛機(jī)在空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新有何相干？有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的學(xué)科可以給你答案。此學(xué)科致力于從大自然中汲取靈感并效法自然。它就是“仿生學(xué)”。其設(shè)計(jì)靈感皆源于自然。仿生學(xué)家通過(guò)研究和模仿自然界中最優(yōu)秀的創(chuàng)意來(lái)解決人類(lèi)遇到的種種問(wèn)題。在航空學(xué)領(lǐng)域，越來(lái)越多的新想法都來(lái)源于自然界中各種各樣的結(jié)構(gòu)、器官和材料。在未來(lái)，這些在大自然中經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次嘗試與檢驗(yàn)洗禮的設(shè)計(jì)仍將成為激發(fā)我們創(chuàng)意的巨大源泉。
【荷花效應(yīng)】

在現(xiàn)在的進(jìn)化階段，荷葉表面的角質(zhì)可以使其表面的雨水滾落并帶走污濁以保持自身的清潔與干燥。這就是“荷花效應(yīng)(the Lotus Effect)”。荷葉的這種特性激發(fā)了人們?cè)跈C(jī)艙設(shè)備涂層設(shè)計(jì)上的靈感。這種涂層可以使水分以滾珠的形式流走并同時(shí)去除污物。這樣就提高了飛機(jī)的清潔度，同時(shí)還能省水，減重，降耗并減少碳排放。此靈感已經(jīng)在空客飛機(jī)上的衛(wèi)生間得到了應(yīng)用。在未來(lái)，座位和地毯的材料也很可能被這樣設(shè)計(jì)。
【可移動(dòng)的機(jī)翼表面】

海鳥(niǎo)可以通過(guò)喙部察覺(jué)出空氣中的陣風(fēng)荷載量(Gust Load)，并通過(guò)調(diào)節(jié)翅膀的形狀抑制升力。新型的空客A350 XWB在機(jī)頭的探測(cè)器就可以檢測(cè)風(fēng)力并利用其可移動(dòng)的機(jī)翼表面提高飛行效率。此設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步節(jié)能減排。
【來(lái)自老鷹的翼尖帆設(shè)計(jì)靈感】

對(duì)于像草原雕這樣的大型鳥(niǎo)類(lèi)，如果其翅膀過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向時(shí)的半徑就會(huì)過(guò)大，從而使其在飛翔時(shí)無(wú)法利用熱空氣柱上升。實(shí)際上，鷹的翅膀完美地結(jié)合了最大的升力和最小的翅膀長(zhǎng)度。它們會(huì)將翅尖羽毛向上卷曲，從而形成近乎90°的夾角。這能減小空氣中的漩渦，提高飛行效率。若按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)，A380的翼幅將比國(guó)標(biāo)機(jī)場(chǎng)可容納的距離大出3米。不過(guò)，多虧了“翼尖帆(Winglet)[1]”——這種小巧的設(shè)計(jì)模仿了鷹類(lèi)向上卷曲的羽毛，A380的翼幅比國(guó)標(biāo)機(jī)場(chǎng)限值還少20厘米，卻可以為世界上最大的客機(jī)提供足夠的升力和飛行效率（節(jié)能、減排并減少機(jī)場(chǎng)擁堵現(xiàn)象）。
【貓頭鷹的靜音飛翔】

經(jīng)歷了2000萬(wàn)年的進(jìn)化，如今，貓頭鷹已擁有鋸齒狀的翅羽以及絨毛狀的腿部羽毛。這可以幫助它們最大限度地減少氣動(dòng)噪聲。盡管相比于40年前的飛機(jī)，現(xiàn)代飛機(jī)的噪聲已經(jīng)降低了75%，空客工程師仍希望通過(guò)進(jìn)一步的研究，揭示貓頭鷹靜音飛翔的奧秘。新的創(chuàng)意包括：模仿貓頭鷹羽毛后緣的可伸縮式刷子邊緣及天鵝絨般的起落架涂層。
【仿生學(xué)應(yīng)用】

自然界的許多生物，如：蜜蜂、蝴蝶，都擁有應(yīng)對(duì)多種環(huán)境的輕型、適應(yīng)性強(qiáng)的骨架。因此，空客希望將“仿生學(xué)結(jié)構(gòu)”應(yīng)用到未來(lái)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。如果氣動(dòng)表面可以變得更輕并更能適應(yīng)各種環(huán)境，那么，飛機(jī)即可減重、減排。空客工程師還在探索新的制造工藝并希望將這種“仿生學(xué)骨架”應(yīng)用到未來(lái)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，使其更輕、更具機(jī)動(dòng)性。
【“溝狀”鯊魚(yú)皮】

鯊魚(yú)皮表面充滿了微小的溝槽結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)可以減少鯊魚(yú)在水中的阻力，并有利于其在捕食時(shí)保持體力。在過(guò)去30年中，航空工程師一直對(duì)“鯊魚(yú)皮”（Groovy Skin or Riblet, 術(shù)語(yǔ)稱(chēng)“溝槽結(jié)構(gòu)”）進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)研究最終將被應(yīng)用到空客飛機(jī)的制造中。正如“鯊魚(yú)皮”結(jié)構(gòu)能使運(yùn)動(dòng)中的鯊魚(yú)減少能量消耗，這些微小的溝槽也將幫助噴氣式飛機(jī)降耗。
【蝴蝶的翅膀】

蝴蝶和一些昆蟲(chóng)可謂是地球上最精美的生物了。但其華麗的外表也掩飾了其復(fù)雜精細(xì)的翅膀結(jié)構(gòu)。這些翅膀可是它們高效飛行的利器。它們?nèi)彳浀耐饽ず脱埽ㄎ⒚?xì)血管）時(shí)緊時(shí)松，使其能在任何飛行階段都收放自如。同樣，空客工程師已研發(fā)出可以在飛行中自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的機(jī)翼。但如果可以控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，那么飛行效率將得到提高，能耗也會(huì)降低。目前，工程師們正在研究是否能夠效仿蝴蝶的微毛細(xì)血管翅膀結(jié)構(gòu)，在機(jī)翼設(shè)計(jì)中采用小型可移動(dòng)表面及靈活的內(nèi)部組件，從而提高飛行效率。
【列陣飛行】

在自然界中，大型鳥(niǎo)類(lèi)有時(shí)會(huì)集體飛行以節(jié)省能量并增加飛行距離。列陣飛行時(shí)（就像遷徙時(shí)的鵝或鴨那樣），領(lǐng)頭鳥(niǎo)的翅膀會(huì)產(chǎn)生漩渦狀氣流，其后的鳥(niǎo)就會(huì)因此得到額外的升力，也就是說(shuō)會(huì)省力。機(jī)翼也可以有同樣的效果，我們稱(chēng)之為“尾渦”(Trailing Vortex)。軍用飛機(jī)經(jīng)常利用列陣飛行減少能耗（燃油量）。目前，客運(yùn)噴氣式飛機(jī)出于安全考慮，還沒(méi)有使用這種方法。不過(guò)，空客正與其合作伙伴研究在長(zhǎng)途飛行中節(jié)能減排的方法。
感謝Wildscreen ARKive[2]項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的仿生學(xué)蝴蝶標(biāo)志。
譯注：
[1]翼尖小翼（winglet或wingtip），又稱(chēng)作翼梢小翼、翼尖帆或翼端帆，通常用于提高固定翼航空器機(jī)翼的效率，也可用來(lái)改善航空器的操縱特性。
[2]Wildscreen是一個(gè)致力于通過(guò)極具視覺(jué)沖擊力的生物圖片鼓勵(lì)人們關(guān)注自然和生物多樣性的慈善組織。ARKive是其最核心的項(xiàng)目之一。此項(xiàng)目旨在組建野生物種圖片的電子圖書(shū)館，尤其針對(duì)瀕危物種，為后代保留珍貴影像。ARKive匯集了全球頂尖野生動(dòng)植物攝影家和7500多家網(wǎng)絡(luò)資料提供方。其資料向公眾免費(fèi)開(kāi)放。

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