航空與仿生學(xué)

1、仿生學(xué)課程論文題 目： 航空航天與仿生班 級(jí)： 生科13本2學(xué) 號(hào)： 1309210213學(xué)生姓名： 張燕學(xué)院名稱(chēng)： 生命科學(xué)學(xué)院專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)： 生物科學(xué)指導(dǎo)老師： 李綏安2015年5月15日目錄1 .引言2.航空航天技術(shù)中的仿生3.仿生在航空航天中的價(jià)值體現(xiàn)4.仿生學(xué)在航空航天中的發(fā)展前景摘要航空航天科學(xué)技術(shù)是高科技技術(shù)，航空航天產(chǎn)業(yè)是高科技產(chǎn)業(yè)，航空航天科學(xué)技術(shù)顯示了一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平，航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn)。但在航天航空科學(xué)技術(shù)研究中遇到了很多的問(wèn)題，而仿生科學(xué)為這樣的技術(shù)發(fā)展和問(wèn)題解決，提供了最有效的途徑、最好的方法和最大的可能。 關(guān)鍵字 ：航空航天 仿生學(xué) 價(jià)值

2、發(fā)展前景1 .引言 從古至今，人類(lèi)一直向往飛向天空，從達(dá)芬奇仿照大型鳥(niǎo)類(lèi)設(shè)計(jì)的飛機(jī)手稿，到萊特兄弟的輕型木質(zhì)飛機(jī)，現(xiàn)代人們通過(guò)研究鳥(niǎo)類(lèi)和蝙蝠等飛行生物進(jìn)行飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已經(jīng)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(lèi)終于從飛行生物身上學(xué)會(huì)了飛翔。 飛機(jī)是仿生學(xué)應(yīng)用的偉大成功，隨著作戰(zhàn)任務(wù)越來(lái)越多樣化，飛行條件越來(lái)越苛刻，人們也在不斷的對(duì)飛行器進(jìn)行改造。許多飛行器外形上的改進(jìn)都能在飛行生物上找到依據(jù)，例如：人們從大型鳥(niǎo)類(lèi)最外端上翹的羽毛上找到靈感，提出來(lái)翼梢小翼的結(jié)構(gòu)形式，事實(shí)證明，翼梢小翼可以降低翼尖渦造成的誘導(dǎo)阻力，提高飛行效率。我國(guó)經(jīng)過(guò)52年的奮斗，圍繞國(guó)家戰(zhàn)略需求，立足

3、自主創(chuàng)新，在運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、載人航天和空間探測(cè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了跨越式的發(fā)展，發(fā)射了90顆各類(lèi)人造地球衛(wèi)星，4艘無(wú)人飛船，2艘載人飛船和1個(gè)月球探測(cè)器。有這樣的的成果，很大一部分原因歸結(jié)于動(dòng)物給人類(lèi)的恩惠。2.航空航天技術(shù)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(dāng)受到陽(yáng)光強(qiáng)烈輻射時(shí),衛(wèi)星溫度會(huì)高達(dá)200攝氏度；而在陰影區(qū)域,衛(wèi)星溫度會(huì)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(xué)家傷透了腦筋.后來(lái),人們從蝴蝶身上受到啟迪.原來(lái),蝴蝶身體表面生長(zhǎng)著一層細(xì)小的鱗片,這些鱗片有調(diào)節(jié)體溫的作用.每當(dāng)氣溫上升、陽(yáng)光直射時(shí),鱗片自動(dòng)張開(kāi),以減少陽(yáng)光的輻射角度,

4、從而減少對(duì)陽(yáng)光熱能的吸收；當(dāng)外界氣溫下降時(shí),鱗片自動(dòng)閉合,緊貼體表,讓陽(yáng)光直射鱗片,從而把體溫控制在正常范圍之內(nèi).科學(xué)家經(jīng)過(guò)研究,為人造地球衛(wèi)星設(shè)計(jì)了一種猶如蝴蝶鱗片般的控溫系統(tǒng)。 機(jī)翼曲線(xiàn)與鳥(niǎo)類(lèi)。1800年左右，英國(guó)科學(xué)家、空氣動(dòng)力學(xué)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(xiàn)型結(jié)構(gòu)。凱利還模仿鳥(niǎo)翅設(shè)計(jì)了一種機(jī)翼曲線(xiàn)，對(duì)航空技術(shù)的誕生起了很大的促進(jìn)作用。同一時(shí)期，法國(guó)生理學(xué)家馬雷，對(duì)鳥(niǎo)的飛行進(jìn)行了仔細(xì)的研究，在他的著作動(dòng)物的機(jī)器一書(shū)中，介紹了鳥(niǎo)類(lèi)的體重與翅膀面積的關(guān)系。德國(guó)人亥姆霍茲也從研究飛行動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)飛行動(dòng)物的體重與身體的線(xiàn)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(guò)對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行器官的詳細(xì)研究和認(rèn)真的模仿，根據(jù)鳥(niǎo)類(lèi)飛行機(jī)構(gòu)的原理，終于制造了能夠載人飛行的滑翔機(jī)。雷達(dá)導(dǎo)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(wú)論怎么飛，從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)它跟什么東西相撞。為了弄清楚這個(gè)問(wèn)題，100多年前，科學(xué)家做了三次不同的試驗(yàn)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(lái)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(lái)時(shí)，用雙耳接收到?？茖W(xué)家模仿蝙蝠探路的方法，給飛機(jī)裝上了雷達(dá)。雷達(dá)通過(guò)天線(xiàn)發(fā)出無(wú)線(xiàn)電波，無(wú)線(xiàn)電波遇到障礙物就反射回來(lái)，顯示在熒光屏上。駕駛員從雷達(dá)的熒光屏上，能夠看清楚前方有沒(méi)有障礙物，所以飛機(jī)在夜里飛行也十分安全。翼

6、尖小翼與鷹隼。飛機(jī)在飛行中由于上下壓差的不同，翼尖附近機(jī)翼下表面空氣會(huì)繞流到上表面，形成翼尖渦，致使翼尖附近區(qū)域機(jī)翼上下表面的壓差降低，從而導(dǎo)致這一區(qū)域產(chǎn)生的升力降低。這是產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力的根源。人們通過(guò)長(zhǎng)期觀(guān)察自然界大型鳥(niǎo)類(lèi)，比如鷹和隼，發(fā)現(xiàn)它們?cè)陲w行中展開(kāi)翅膀向上偏折翅尖羽毛以減小阻力，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離滑翔。受此啟發(fā)，有專(zhuān)家提出在翼尖加裝短板來(lái)減小誘導(dǎo)阻力的想法。后來(lái)，設(shè)計(jì)師們不斷研究，發(fā)明了翼尖小翼，并將其安裝在運(yùn)輸飛機(jī)上，以減小飛機(jī)的阻力。機(jī)身蒙皮與蒙古弓。飛機(jī)的機(jī)身是由蒙皮包裹的，然后再將受力傳遞到翼梁和翼肋。同時(shí)，蒙皮的完整性也影響著飛機(jī)整體的氣動(dòng)性能。因此，蒙皮的強(qiáng)度關(guān)系到整架飛機(jī)的結(jié)

7、構(gòu)安全。數(shù)百年前蒙古鐵騎的戰(zhàn)弓引起了設(shè)計(jì)師們的興趣。為適應(yīng)馬上作戰(zhàn)，蒙古弓要做的短小，但又要保證弓的強(qiáng)度。聰明的古人采用了復(fù)合材料的方法，他們用水牛角和鹿腱來(lái)加強(qiáng)弓的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)師們由此獲得啟發(fā)，將玻璃纖維與鋁合金相結(jié)合，完成了適應(yīng)現(xiàn)代大飛機(jī)要求的復(fù)合材料。機(jī)翼震顫與蜻蜓。飛機(jī)在高速飛行的時(shí)候，機(jī)翼會(huì)發(fā)生顫振現(xiàn)象。也就是說(shuō)，飛機(jī)的翅膀會(huì)不由自主地振動(dòng)，這種有害的振動(dòng)可能造成翼折人亡的慘劇。被譽(yù)為昆蟲(chóng)里“飛行之王”的蜻蜓，它在振翅飛行時(shí)，也會(huì)遇到有害的顫振現(xiàn)象。但是，神奇的造物者賦予了它們消除這種現(xiàn)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(zhì)層或稱(chēng)色素斑，叫翅痣。這就是它們消除顫振隱

8、患的特殊裝置。科學(xué)家虛心向蜻蜓學(xué)習(xí)，在飛機(jī)機(jī)翼前端的邊緣，像打補(bǔ)丁一樣，安裝了一塊長(zhǎng)方形的金屬板，稱(chēng)為抗震顫裝置。昆蟲(chóng)的小技巧，幫助人類(lèi)解決了大問(wèn)題。機(jī)翼表面與海鳥(niǎo)。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。運(yùn)用此原理，新型的空客A350 XWB通過(guò)安裝在機(jī)頭的探測(cè)器可以檢測(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。飛機(jī)涂料與鯊魚(yú)皮。自適應(yīng)表面的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)是飛機(jī)設(shè)計(jì)具備顯著環(huán)境適應(yīng)性的領(lǐng)域，要從自然界尋找靈感。今天的民用客機(jī)，40%的阻力可歸結(jié)于湍流邊界層。連續(xù)的自適應(yīng)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(jī)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(gè)重大工程問(wèn)題。不過(guò)，德國(guó)弗勞恩霍夫研究所設(shè)計(jì)了一種涂料，模仿鯊魚(yú)皮并加入了類(lèi)似拉條的小溝，可以用蠟紙版作為飛機(jī)最外側(cè)涂層。該涂料包含納米件，保證它可以抵擋紫外線(xiàn)而改變溫度。研究所表示該涂料應(yīng)用到飛機(jī)上可以每年節(jié)省448萬(wàn)噸燃油。機(jī)艙設(shè)備與荷葉。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

10、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)。列陣飛行與大雁。在自然界中，大雁遷徙時(shí)會(huì)列陣集體飛行以節(jié)省能量并增加飛行距離。列陣飛行時(shí)，領(lǐng)頭雁的翅膀會(huì)產(chǎn)生漩渦狀氣流，其后的雁就會(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，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。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。飛機(jī)降落與蒼蠅。蒼蠅一旦起飛，可在0.15秒內(nèi)加速至每小時(shí)10公里的速度。蒼蠅飛行時(shí)的轉(zhuǎn)向角速度可達(dá)每秒6個(gè)旋轉(zhuǎn)，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(nèi)恢復(fù)飛行。不管在哪種表面，蒼蠅都能輕巧地達(dá)成零速度著地。昆蟲(chóng)學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，蒼蠅的后翅退化成一對(duì)平衡棒。當(dāng)它飛行時(shí)，平衡棒以一定的頻率進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)，可以調(diào)節(jié)翅膀的運(yùn)動(dòng)方向，是保持蒼蠅身體平衡的導(dǎo)航儀。科學(xué)家據(jù)此原理研制成一代新型導(dǎo)航儀-振動(dòng)陀螺儀，大大改進(jìn)了飛機(jī)的飛行性能LIJ，可使飛機(jī)自動(dòng)停止危險(xiǎn)的滾翻飛行，在機(jī)體強(qiáng)烈傾斜時(shí)還能自動(dòng)恢復(fù)平衡，即使是飛機(jī)在最復(fù)雜的急轉(zhuǎn)彎時(shí)也萬(wàn)無(wú)一失。 機(jī)翼結(jié)構(gòu)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(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軙r(shí)

12、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。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。氣動(dòng)噪聲與貓頭鷹。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

13、。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)與烏賊。根據(jù)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(shí)上，這一原理在海洋生物中也是早就存在的。比如烏賊（墨魚(yú)）、水母的反沖原理。烏賊遭到危險(xiǎn)時(shí)，能從腔內(nèi)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(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)的原理也是如此。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，從前端吸入大量的空氣，燃燒后高速?lài)姵觯诖诉^(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)向氣體施加力，使之向后加速，氣體也給發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)反作用力，推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。 3.仿生在航空航天中的價(jià)值體現(xiàn)多年來(lái)宇宙飛船、航天飛機(jī)、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(jīng)濟(jì)損失、科研任務(wù)無(wú)法完成等。

14、近年來(lái)空間探測(cè)活動(dòng)越來(lái)越頻繁,因空間探測(cè)任務(wù)的特殊性,故對(duì)機(jī)載電子設(shè)備、測(cè)控系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性、可用性、可維護(hù)性提出了極高的要求。仿生硬件的自適應(yīng)、自主修復(fù)特性在空間應(yīng)用中是非常重要的,仿生硬件將能解決空間探測(cè)器的特殊性應(yīng)用問(wèn)題。例如,通過(guò)硬件進(jìn)化可以使太空探測(cè)器在空間自修復(fù),恢復(fù)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(shè)計(jì)缺陷等原因所導(dǎo)致失效的功能,適應(yīng)惡劣的環(huán)境并延長(zhǎng)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(jī)載設(shè)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(kāi)展仿生硬件基礎(chǔ)理論與工程技術(shù)應(yīng)用研究,對(duì)于推動(dòng)中國(guó)載人宇宙飛船、探月工程和未來(lái)火星探測(cè)

15、計(jì)劃的迅速發(fā)展將有重要作用。仿生設(shè)計(jì)學(xué)作為人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)與自然界的鍥合點(diǎn),使人類(lèi)社會(huì)與自然達(dá)到了高度的統(tǒng)一,正逐漸成為設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中新的亮點(diǎn)。自古以來(lái),自然界就是人類(lèi)各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類(lèi)繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在,它們?cè)诼L(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中,為了求得生存與發(fā)展,逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)。人類(lèi)生活在自然界中,與周?chē)纳镒鳌班従印?這些生物各種各樣的奇異本領(lǐng),吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７?。人?lèi)運(yùn)用其觀(guān)察、思維和設(shè)計(jì)能力,開(kāi)始了對(duì)生物的模仿,并通過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng),制造出簡(jiǎn)單的工具,增強(qiáng)了自己與自然界斗爭(zhēng)的本領(lǐng)和能力。在航天科技發(fā)展的過(guò)程中，科學(xué)探索和技術(shù)應(yīng)用同時(shí)存在，大量的科學(xué)

16、問(wèn)題轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的方法和工程技術(shù)的問(wèn)題。認(rèn)識(shí)的超前、系統(tǒng)的龐大、投入的巨大和技術(shù)轉(zhuǎn)化滯后，會(huì)在技術(shù)上呈現(xiàn)出螺旋式上升的超前和延遲效應(yīng)。系統(tǒng)的復(fù)雜性和解決問(wèn)題的難度，需要邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科的滲透和融入來(lái)解決創(chuàng)新與突破的問(wèn)題。通過(guò)仿生科學(xué)對(duì)航天技術(shù)的啟示分析，仿生學(xué)的發(fā)展為技術(shù)的突破和復(fù)雜問(wèn)題的解決，提供了一條有效的途徑和最大的可能。如我國(guó)古代勤勞勇敢的勞動(dòng)人民對(duì)于絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據(jù)秦漢時(shí)期史書(shū)記載,兩千多年前,我國(guó)人民就發(fā)明了風(fēng)箏,并且應(yīng)用于軍事聯(lián)絡(luò)。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代,魯國(guó)匠人魯班,本名公輸般,首先開(kāi)始研制能飛的木鳥(niǎo)；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(jù)杜陽(yáng)雜編記載,唐朝有個(gè)韓志和,“善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀,飲啄動(dòng)靜與真無(wú)異,以關(guān)戾置于腹內(nèi),發(fā)之則凌云奮飛,可高達(dá)三丈至一二百步外,始卻下。”西漢時(shí)期,有人用鳥(niǎo)的羽毛做成翅膀,從高臺(tái)上飛下來(lái),企圖模仿鳥(niǎo)的飛行。以上幾例,足以說(shuō)明我國(guó)古代勞動(dòng)人民對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)的撲翼和飛行,進(jìn)行了細(xì)致的觀(guān)察和研究,這也是最早的仿生設(shè)計(jì)活動(dòng)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(niǎo)類(lèi)借鑒的愿望。 4.仿生學(xué)在航空航天中的發(fā)展前景新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)的航空航天事業(yè)在政府的支持下不斷發(fā)展，目前我國(guó)的航天航空事業(yè)在國(guó)際上已經(jīng)占有一定的重要地位。嫦娥五號(hào)“探路者”發(fā)射與返回，