航空與仿生學

1、仿生學課程論文題 目： 航空航天與仿生班 級： 生科13本2學 號： 1309210213學生姓名： 張燕學院名稱： 生命科學學院專業(yè)名稱： 生物科學指導老師： 李綏安2015年5月15日目錄1 .引言2.航空航天技術中的仿生3.仿生在航空航天中的價值體現4.仿生學在航空航天中的發(fā)展前景摘要航空航天科學技術是高科技技術，航空航天產業(yè)是高科技產業(yè)，航空航天科學技術顯示了一個國家的科學技術水平，航空航天產業(yè)的發(fā)展是一個國家綜合國力的體現。但在航天航空科學技術研究中遇到了很多的問題，而仿生科學為這樣的技術發(fā)展和問題解決，提供了最有效的途徑、最好的方法和最大的可能。 關鍵字 ：航空航天 仿生學 價值

2、發(fā)展前景1 .引言 從古至今，人類一直向往飛向天空，從達芬奇仿照大型鳥類設計的飛機手稿，到萊特兄弟的輕型木質飛機，現代人們通過研究鳥類和蝙蝠等飛行生物進行飛行器結構設計，已經獲得很大的成功，如今形形色色的大小飛行器研制、試飛成功,人類終于從飛行生物身上學會了飛翔。 飛機是仿生學應用的偉大成功，隨著作戰(zhàn)任務越來越多樣化，飛行條件越來越苛刻，人們也在不斷的對飛行器進行改造。許多飛行器外形上的改進都能在飛行生物上找到依據，例如：人們從大型鳥類最外端上翹的羽毛上找到靈感，提出來翼梢小翼的結構形式，事實證明，翼梢小翼可以降低翼尖渦造成的誘導阻力，提高飛行效率。我國經過52年的奮斗，圍繞國家戰(zhàn)略需求，立足

3、自主創(chuàng)新，在運載火箭、人造衛(wèi)星、載人航天和空間探測領域實現了跨越式的發(fā)展，發(fā)射了90顆各類人造地球衛(wèi)星，4艘無人飛船，2艘載人飛船和1個月球探測器。有這樣的的成果，很大一部分原因歸結于動物給人類的恩惠。2.航空航天技術中的仿生 蝴蝶和衛(wèi)星控溫系統(tǒng)。遨游太空的人造衛(wèi)星,當受到陽光強烈輻射時,衛(wèi)星溫度會高達200攝氏度；而在陰影區(qū)域,衛(wèi)星溫度會下降至零下200攝氏度左右,這很容易烤壞或凍壞衛(wèi)星上的精密儀器儀表,它一度曾使航天科學家傷透了腦筋.后來,人們從蝴蝶身上受到啟迪.原來,蝴蝶身體表面生長著一層細小的鱗片,這些鱗片有調節(jié)體溫的作用.每當氣溫上升、陽光直射時,鱗片自動張開,以減少陽光的輻射角度,

4、從而減少對陽光熱能的吸收；當外界氣溫下降時,鱗片自動閉合,緊貼體表,讓陽光直射鱗片,從而把體溫控制在正常范圍之內.科學家經過研究,為人造地球衛(wèi)星設計了一種猶如蝴蝶鱗片般的控溫系統(tǒng)。 機翼曲線與鳥類。1800年左右，英國科學家、空氣動力學的創(chuàng)始人之一凱利，模仿山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線型結構。凱利還模仿鳥翅設計了一種機翼曲線，對航空技術的誕生起了很大的促進作用。同一時期，法國生理學家馬雷，對鳥的飛行進行了仔細的研究，在他的著作動物的機器一書中，介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關系。德國人亥姆霍茲也從研究飛行動物中，發(fā)現飛行動物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的

5、局限。人們通過對鳥類飛行器官的詳細研究和認真的模仿，根據鳥類飛行機構的原理，終于制造了能夠載人飛行的滑翔機。雷達導航與蝙蝠。蝙蝠是在夜里飛行的，還能捕捉飛蛾和蚊子；而且無論怎么飛，從來沒見過它跟什么東西相撞。為了弄清楚這個問題，100多年前，科學家做了三次不同的試驗證明，蝙蝠夜里飛行，靠的不是眼睛，它是用嘴和耳朵配合起來探路的。它能夠用嘴發(fā)出超聲波后，在超聲波接觸到障礙物反射回來時，用雙耳接收到?？茖W家模仿蝙蝠探路的方法，給飛機裝上了雷達。雷達通過天線發(fā)出無線電波，無線電波遇到障礙物就反射回來，顯示在熒光屏上。駕駛員從雷達的熒光屏上，能夠看清楚前方有沒有障礙物，所以飛機在夜里飛行也十分安全。翼

6、尖小翼與鷹隼。飛機在飛行中由于上下壓差的不同，翼尖附近機翼下表面空氣會繞流到上表面，形成翼尖渦，致使翼尖附近區(qū)域機翼上下表面的壓差降低，從而導致這一區(qū)域產生的升力降低。這是產生誘導阻力的根源。人們通過長期觀察自然界大型鳥類，比如鷹和隼，發(fā)現它們在飛行中展開翅膀向上偏折翅尖羽毛以減小阻力，從而實現遠距離滑翔。受此啟發(fā)，有專家提出在翼尖加裝短板來減小誘導阻力的想法。后來，設計師們不斷研究，發(fā)明了翼尖小翼，并將其安裝在運輸飛機上，以減小飛機的阻力。機身蒙皮與蒙古弓。飛機的機身是由蒙皮包裹的，然后再將受力傳遞到翼梁和翼肋。同時，蒙皮的完整性也影響著飛機整體的氣動性能。因此，蒙皮的強度關系到整架飛機的結

7、構安全。數百年前蒙古鐵騎的戰(zhàn)弓引起了設計師們的興趣。為適應馬上作戰(zhàn)，蒙古弓要做的短小，但又要保證弓的強度。聰明的古人采用了復合材料的方法，他們用水牛角和鹿腱來加強弓的強度。設計師們由此獲得啟發(fā)，將玻璃纖維與鋁合金相結合，完成了適應現代大飛機要求的復合材料。機翼震顫與蜻蜓。飛機在高速飛行的時候，機翼會發(fā)生顫振現象。也就是說，飛機的翅膀會不由自主地振動，這種有害的振動可能造成翼折人亡的慘劇。被譽為昆蟲里“飛行之王”的蜻蜓，它在振翅飛行時，也會遇到有害的顫振現象。但是，神奇的造物者賦予了它們消除這種現象的方法。蜻蜓每一片翅膀前緣的上方，都有一塊加厚的深色角質層或稱色素斑，叫翅痣。這就是它們消除顫振隱

8、患的特殊裝置?？茖W家虛心向蜻蜓學習，在飛機機翼前端的邊緣，像打補丁一樣，安裝了一塊長方形的金屬板，稱為抗震顫裝置。昆蟲的小技巧，幫助人類解決了大問題。機翼表面與海鳥。海鳥可以通過喙部察覺出空氣中的陣風荷載量（Gust Load），并通過調節(jié)翅膀的形狀抑制升力。運用此原理，新型的空客A350 XWB通過安裝在機頭的探測器可以檢測風力并利用其可移動的機翼表面提高飛行效率。此設計可以進一步節(jié)能減排。飛機涂料與鯊魚皮。自適應表面的設計與開發(fā)是飛機設計具備顯著環(huán)境適應性的領域，要從自然界尋找靈感。今天的民用客機，40%的阻力可歸結于湍流邊界層。連續(xù)的自適應表面可以破壞這層湍流然后消除蒙皮摩擦阻力。拉條（

9、飛機表面順氣流方向的一行小溝）可以減少4-7%的蒙皮摩擦力。但是拉條很容易損壞，所以是個重大工程問題。不過，德國弗勞恩霍夫研究所設計了一種涂料，模仿鯊魚皮并加入了類似拉條的小溝，可以用蠟紙版作為飛機最外側涂層。該涂料包含納米件，保證它可以抵擋紫外線而改變溫度。研究所表示該涂料應用到飛機上可以每年節(jié)省448萬噸燃油。機艙設備與荷葉。在現在的進化階段，荷葉表面的角質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（the Lotus Effect）”。荷葉的這種特性激發(fā)了人們在機艙設備涂層設計上的靈感。這種涂層可以使水分以滾珠的形式流走并同時去除污物。這樣就提高了飛機的清潔

10、度，同時還能省水，減重，降耗并減少碳排放。此靈感已經在空客飛機上的衛(wèi)生間得到了應用。在未來，座位和地毯的材料也很可能被這樣設計。列陣飛行與大雁。在自然界中，大雁遷徙時會列陣集體飛行以節(jié)省能量并增加飛行距離。列陣飛行時，領頭雁的翅膀會產生漩渦狀氣流，其后的雁就會因此得到額外的升力，也就是說會省力。機翼也可以有同樣的效果，稱之為“尾渦”（Trailing Vortex）。軍用飛機經常利用列陣飛行減少能耗。目前，客運噴氣式飛機出于安全考慮，還沒有使用這種方法。飛機降落與蒼蠅。蒼蠅一旦起飛，可在0.15秒內加速至每小時10公里的速度。蒼蠅飛行時的轉向角速度可達每秒6個旋轉，即2160度。蒼蠅還能垂直上

11、下飛行，甚至倒退飛行，即使因撞到障礙物而突然失速，也可以在幾毫秒內恢復飛行。不管在哪種表面，蒼蠅都能輕巧地達成零速度著地。昆蟲學家研究發(fā)現，蒼蠅的后翅退化成一對平衡棒。當它飛行時，平衡棒以一定的頻率進行機械振動，可以調節(jié)翅膀的運動方向，是保持蒼蠅身體平衡的導航儀?？茖W家據此原理研制成一代新型導航儀-振動陀螺儀，大大改進了飛機的飛行性能LIJ，可使飛機自動停止危險的滾翻飛行，在機體強烈傾斜時還能自動恢復平衡，即使是飛機在最復雜的急轉彎時也萬無一失。 機翼結構與蝴蝶。蝴蝶可謂是地球上最精美的生物之一，但其華麗的外表也掩飾了其復雜精細的翅膀結構。這些翅膀可是它們高效飛行的利器。它們柔軟的外膜和血管時

12、緊時松，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翻轉的機翼。如果可以控制其轉動，那么飛行效率將得到提高，能耗也會降低。目前，工程師們正在研究是否能夠效仿蝴蝶的微毛細血管翅膀結構，在機翼設計中采用小型可移動表面及靈活的內部組件，從而提高飛行效率。氣動噪聲與貓頭鷹。經歷了2000萬年的進化，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噪聲。盡管相比于40年前的飛機，現代飛機的噪聲已經降低了75%，空客工程師仍希望通過進一步的研究，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

13、。噴氣發(fā)動機與烏賊。根據牛頓第三定律，作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。事實上，這一原理在海洋生物中也是早就存在的。比如烏賊（墨魚）、水母的反沖原理。烏賊遭到危險時，能從腔內噴出一束墨汁，一方面把水的顏色弄深，一方面提供反作用力向前迅速竄逃。飛機噴氣發(fā)動機推進的原理也是如此。噴氣發(fā)動機在工作時，從前端吸入大量的空氣，燃燒后高速噴出，在此過程中，發(fā)動機向氣體施加力，使之向后加速，氣體也給發(fā)動機一個反作用力，推動飛機前進。 3.仿生在航空航天中的價值體現多年來宇宙飛船、航天飛機、空間飛行器的失敗率很高,其主要原因是系統(tǒng)失效故障,由此造成了重大的人員傷亡、經濟損失、科研任務無法完成等。

14、近年來空間探測活動越來越頻繁,因空間探測任務的特殊性,故對機載電子設備、測控系統(tǒng)的長期可靠性、可用性、可維護性提出了極高的要求。仿生硬件的自適應、自主修復特性在空間應用中是非常重要的,仿生硬件將能解決空間探測器的特殊性應用問題。例如,通過硬件進化可以使太空探測器在空間自修復,恢復由于空間輻射或環(huán)境溫度極高/極低引起部件故障、元器件老化、設計缺陷等原因所導致失效的功能,適應惡劣的環(huán)境并延長其使用壽命,將大大提高系統(tǒng)的可靠性和可用性?；诜律布臋C載設備包括各種航天器電子裝置、智能傳感器、控制與信息處理系統(tǒng)。開展仿生硬件基礎理論與工程技術應用研究,對于推動中國載人宇宙飛船、探月工程和未來火星探測

15、計劃的迅速發(fā)展將有重要作用。仿生設計學作為人類社會生產活動與自然界的鍥合點,使人類社會與自然達到了高度的統(tǒng)一,正逐漸成為設計發(fā)展過程中新的亮點。自古以來,自然界就是人類各種科學技術原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類繁多的動植物及物質存在,它們在漫長的進化過程中,為了求得生存與發(fā)展,逐漸具備了適應自然界變化的本領。人類生活在自然界中,與周圍的生物作“鄰居”,這些生物各種各樣的奇異本領,吸引著人們去想象和模仿。人類運用其觀察、思維和設計能力,開始了對生物的模仿,并通過創(chuàng)造性的勞動,制造出簡單的工具,增強了自己與自然界斗爭的本領和能力。在航天科技發(fā)展的過程中，科學探索和技術應用同時存在，大量的科學

16、問題轉化為現實的方法和工程技術的問題。認識的超前、系統(tǒng)的龐大、投入的巨大和技術轉化滯后，會在技術上呈現出螺旋式上升的超前和延遲效應。系統(tǒng)的復雜性和解決問題的難度，需要邊緣學科、交叉學科的滲透和融入來解決創(chuàng)新與突破的問題。通過仿生科學對航天技術的啟示分析，仿生學的發(fā)展為技術的突破和復雜問題的解決，提供了一條有效的途徑和最大的可能。如我國古代勤勞勇敢的勞動人民對于絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據秦漢時期史書記載,兩千多年前,我國人民就發(fā)明了風箏,并且應用于軍事聯絡。春秋戰(zhàn)國時代,魯國匠人魯班,本名公輸般,首先開始研制能飛的木鳥；并且他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉得到啟示而發(fā)明了鋸子。據杜陽雜編記載,唐朝有個韓志和,“善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀,飲啄動靜與真無異,以關戾置于腹內,發(fā)之則凌云奮飛,可高達三丈至一二百步外,始卻下。”西漢時期,有人用鳥的羽毛做成翅膀,從高臺上飛下來,企圖模仿鳥的飛行。以上幾例,足以說明我國古代勞動人民對鳥類的撲翼和飛行,進行了細致的觀察和研究,這也是最早的仿生設計活動之一。明代發(fā)明的一種火箭武器“神火飛鴉”,也反映了人們向鳥類借鑒的愿望。 4.仿生學在航空航天中的發(fā)展前景新中國成立以來，我國的航空航天事業(yè)在政府的支持下不斷發(fā)展，目前我國的航天航空事業(yè)在國際上已經占有一定的重要地位。嫦娥五號“探路者”發(fā)射與返回，