动、植物仿生技术在航空飞行器上的应用分析

　　仿生技术是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并将它们应用到技术系统，改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构造、自动化装置的综合性学科。现如今，航空飞行器领域中越来越多的灵感都来源于大自然中动物、植物的特征，科学家通过不断地观察、模仿来解决在实现飞翔梦想过程中所遇到的各种问题。本文拟对动、植物仿生技术在航空飞行器领域中的贡献作简要概述。

　　1 动物仿生技术在航空飞行器上的应用

　　1.1 蜻蜓膜翅

　　蜻蜓优异的飞行本领和功能特性使之成为仿生技术研究的重要生物模本，蜻蜓膜翅为其自身总重量的1%~2%,但在飞行中却表现出超强的稳定性和极好的承载能力。

　　蜻蜓膜翅由翅膜及支撑翅膜的沿翅翼纵向外伸的主翅脉以及与主翅脉相互连接到一起的若干支翅脉组成，形成了一种坚固的类桁架结构。膜翅前缘翅脉的网络结构分布可以提高膜翅在翼展方向的抗弯强度，同时也很好地防止整个膜翅结构产生屈曲，依据对蜻蜓膜翅承力结构的分析，对机身加强框进行设计，沿主应力和主要承载方向布置主加强筋，借用主翅脉结构特征；在主翅脉加强筋区域之间布置多孔结构的次加强筋，主要借用主翅脉和支翅脉共同围成的由四边形、五边形和六边形形成的拓扑网络结构的结构特征[1].这样的结构极大地满足了飞行器设计中的重要原则-用最少的结构材料承受最大的外力，使材料应用达到最大的优化。

　　此外，蜻蜓通过膜翅振动产生不同于周围大气的局部不稳定气流，利用气流产生的涡流上升，能在很小的推力下翱翔，具有高的飞行能力；蜻蜓飞行仅靠两对膜翅不停地拍打，飞行中常常轮流振动前翅和后翅；根据蜻蜓扑翼飞行机理以及前后翅的扑动方式和相位关系，科学家设计、制造了仿蜻蜓微型扑翼飞行器，该飞行器能够实现前、后翅同时拍动，并能实现拍动平面与水平面夹角的微调，且动态性能稳定，能够模拟蜻蜓飞行时翅翼的各种拍动情况等[2].

　　1.2 蝇的复眼

　　蝇的复眼是由数千只小眼组成的两个半球，对称地分布在蝇头部的两侧，半球中的每一个小眼都像一个成像制导中的探测器，具有一定的探测角度，但半球中的小眼组合起来就可以探测半球视场中的目标，而左右两个半球合起来便可以进行全方位的目标探测，蝇视觉运动信息的计算由两个独立的并行通道来完成，即大场景（LF） 系统和小场景（SF） 系统，如果在导弹制导系统中模仿蝇视觉系统对运动的感知，将大场景系统用于宏观地控制导弹的飞行路线，而小场景系统用于对小目标运动的检测，可以实现目标跟踪与凝视，并将目标敏感信息提供给引信，这样导弹制导与引信便将被有机地结合起来。

　　此外，蝇复眼在飞机的前视红外探测、夜视设备等方面，同样具有较广泛的应用前景[3].

　　1.3 鲨鱼体表

　　鲨鱼体表由菱形排列的盾鳞覆盖，呈现肋条状的表面结构。盾鳞的长度通常为 100μm~200μm,肋条间的宽度为 50μm~100μm.盾鳞呈釉质，由非光滑的鳞棘和深埋在真皮中的基板构成。盾鳞和牙齿属同源器官，又称"齿鳞",质地坚硬，其形态因鲨鱼种类和身体部位而异。盾鳞上的这种肋条结构能够优化鲨鱼体表流体边界层的流体结构，抑制和延迟紊流的发生，有效减小水体阻力。肋条结构减阻仿生制造及减阻材料在飞行器上的测试研究始于20世纪 80年代，当时洛克希德公司设计出了有规则分布的沟槽微结构表面，试验结果表明，摩擦阻力减小了10%以上。

　　目前，发动机叶片、流体输送管、飞行器复杂气动蒙皮及机翼等结构部件均有采用肋条结构仿生减阻材料，其能够显著减少燃油消耗、提高航速、延长航程与航时[4].

　　2 植物仿生技术在航空飞行器上的应用

　　2.1 槭树种子
　　
　　科学家通过对槭树种子独特的结构和飞行方式的研究，研制出一款在空中盘旋滑翔的小型无人驾驶飞行器samarai,这款飞行器大约1英尺，由两个可运动部分和一个摄像机组成，通过遥控和桌面计算机的应用程序实现远程控制，在设计飞行器机翼时，模拟翼果自动旋转功能，让它们在降落过程中保持稳定，在设计动力系统时，参照直升机的尾部螺旋桨，让飞行器能在空中保持盘旋。Samarai能在狭小的空间里垂直起飞，对于军队和警方有很大的应用潜力[5].

　　2.2 荷叶效应

　　科学家通过电子显微镜观察发现荷叶表面像毛玻璃一样粗糙，实际上是由一些微小突起产生的，它们的尺寸大概为10~12微米，深度在12~15微米之间，这种突起上面又形成更小的突起，直径只有200个纳米左右，即表皮分泌的蜡质结晶，在电子显微镜下呈毛发或线状结构。由此，荷叶表面就像布满了"山头",在微米尺度的"小山"上又叠加了许多纳米尺度的"小山","山"与"山"之间的空隙非常窄，并且"山"与"山"之间被空气填满，形成类似气垫把水滴隔开，这样，再小的水滴也只能在"山头"上跑来跑去，而水滴在滚动的时候，也就带走了叶子上的尘土和细菌。荷叶表面的这种特性已在空客飞机上的卫生间得到应用，未来，座位和地毯材料也会被这样设计。

　　3 结语

　　目前，动植物仿生技术已为人类飞行史做出了重要的贡献，随着进一步的探索和认知，其将成为航空飞行器设计重要的技术支撑，并且具有更加广泛的应用前景和市场。

　　参考文献：
　　[1] 马建峰，陈五一，赵岭，赵大海。基于蜻蜓膜翅结构的飞机加强框的仿生设计[J].航空学报，2009.
　　[2] 任露泉，李秀娟。蜻蜓翅膀功能特性及其仿生研究进展[J].中国科学：科学技术，2013.
　　[3] 李言俊，张科。蝇复眼仿生技术在全方位成像制导中应用的探索研究[J].航空兵器，1999.
　　[4] 刘宝胜，吴为，曾元松。鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述[J].塑性工程学报，2014.