涨知识 | 飞机设计制造中的仿生学

蝙蝠是在夜里飞行的，还能捕捉飞蛾和蚊子；而且无论怎么飞，从来没见过它跟什么东西相撞。为了弄清楚这个问题，100多年前，科学家做了三次不同的试验证明，蝙蝠夜里飞行，靠的不是眼睛，它是用嘴和耳朵配合起来探路的。它能够用嘴发出超声波后，在超声波接触到障碍物反射回来时，用双耳接收到。科学家模仿蝙蝠探路的方法，给飞机装上了雷达。雷达通过天线发出无线电波，无线电波遇到障碍物就反射回来，显示在荧光屏上。驾驶员从雷达的荧光屏上，能够看清楚前方有没有障碍物，所以飞机在夜里飞行也十分安全。

飞机的机身是由蒙皮包裹的，然后再将受力传递到翼梁和翼肋。同时，蒙皮的完整性也影响着飞机整体的气动性能。因此，蒙皮的强度关系到整架飞机的结构安全。数百年前蒙古铁骑的战弓引起了设计师们的兴趣。为适应马上作战，蒙古弓要做得短小，但又要保证弓的强度。聪明的古人采用了复合材料的方法，他们用水牛角和鹿腱来加强弓的强度。设计师们由此获得启发，将玻璃纤维与铝合金相结合，完成了适应现代大飞机要求的复合材料。

海鸟可以通过喙部察觉出空气中的阵风荷载量（Gust Load），并通过调节翅膀的形状抑制升力。运用此原理，新型的空客A350 XWB通过安装在机头的探测器可以检测风力并利用其可移动的机翼表面提高飞行效率。此设计可以进一步节能减排。

自适应表面的设计与开发是飞机设计具备显著环境适应性的领域，要从自然界寻找灵感。今天的民用客机，40%的阻力可归结于湍流边界层。连续的自适应表面可以破坏这层湍流然后消除蒙皮摩擦阻力。拉条（飞机表面顺气流方向的一行小沟）可以减少4-7%的蒙皮摩擦力。但是拉条很容易损坏，所以是个重大工程问题。不过，德国弗劳恩霍夫研究所设计了一种涂料，模仿鲨鱼皮并加入了类似拉条的小沟，可以用蜡纸版作为飞机最外侧涂层。该涂料包含纳米件，保证它可以抵挡紫外线而改变温度。研究所表示该涂料应用到飞机上可以每年节省448万吨燃油。

在现在的进化阶段，荷叶表面的角质可以使其表面的雨水滚落并带走污浊以保持自身的清洁与干燥。这就是“荷花效应（the Lotus Effect）”。荷叶的这种特性激发了人们在机舱设备涂层设计上的灵感。这种涂层可以使水分以滚珠的形式流走并同时去除污物。这样就提高了飞机的清洁度，同时还能省水，减重，降耗并减少碳排放。此灵感已经在空客飞机上的卫生间得到了应用。在未来，座位和地毯的材料也很可能被这样设计。

经历了2000万年的进化，如今，猫头鹰已拥有锯齿状的翅羽以及绒毛状的腿部羽毛。这可以帮助它们最大限度地减少气动噪声。尽管相比于40年前的飞机，现代飞机的噪声已经降低了75%，空客工程师仍希望通过进一步的研究，揭示猫头鹰静音飞翔的奥秘。新的创意包括：模仿猫头鹰羽毛后缘的可伸缩式刷子边缘及天鹅绒般的起落架涂层。

根据牛顿第三定律，作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力。事实上，这一原理在海洋生物中也是早就存在的。比如乌贼（墨鱼）、水母的反冲原理。乌贼遭到危险时，能从腔内喷出一束墨汁，一方面把水的颜色弄深，一方面提供反作用力向前迅速窜逃。飞机喷气发动机推进的原理也是如此。喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，在此过程中，发动机向气体施加力，使之向后加速，气体也给发动机一个反作用力，推动飞机前进。