航空与仿生学讲解

仿生学课程论文题目:航空航天与仿生班级：生科13本2学号：1309210213学生姓名：张燕学院名称：生命科学学院专业名称：生物科学指导老师：李绥安2015 年 5月15日目录1 .引言2.航空航天技术中的仿生3仿生在航空航天中的价值体现4.仿生学在航空航天中的发展前景摘要航空航天科学技术是高科技技术，航空航天产业是高科技产业，航空航天科学技术 显示了一个国家的科学技术水平，航空航天产业的发展是一个国家综合国力的体现。但 在航天航空科学技术研究中遇到了很多的问题，而仿生科学为这样的技术发展和问题解 决，提供了最有效的途径、最好的方法和最大的可能。关键字 ：航空航天 仿生学 价值 发展前景1 .引言从古至今，人类一直向往飞向天空，从达芬奇仿照大型鸟类设计的飞机手稿，到莱特兄 弟的轻型木质飞机，现代人们通过研究鸟类和蝙蝠等飞行生物进行飞行器结构设计，已经获得 很大的成功，如今形形色色的大小飞行器研制、试飞成功,人类终于从飞行生物身上学会了飞 翔。飞机是仿生学应用的伟大成功，随着作战任务越来越多样化，飞行条件越来越苛刻，人们 也在不断的对飞行器进行改造。许多飞行器外形上的改进都能在飞行生物上找到依据，例如： 人们从大型鸟类最外端上翘的羽毛上找到灵感，提出来翼梢小翼的结构形式，事实证明，翼梢 小翼可以降低翼尖涡造成的诱导阻力，提高飞行效率。我国经过52 年的奋斗，围绕国家战略需求，立足自主创新，在运载火箭、人造卫星、载 人航天和空间探测领域实现了跨越式的发展，发射了90 颗各类人造地球卫星，4艘无人飞船， 2 艘载人飞船和 1 个月球探测器。有这样的的成果，很大一部分原因归结于动物给人类的恩惠。 2.航空航天技术中的仿生蝴蝶和卫星控温系统。遨游太空的人造卫星,当受到阳光强烈辐射时,卫星温度会高达 200 摄氏度；而在阴影区域,卫星温度会下降至零下 200 摄氏度左右,这很容易烤坏或冻坏卫星上的 精密仪器仪表,它一度曾使航天科学家伤透了脑筋.后来,人们从蝴蝶身上受到启迪.原来,蝴蝶 身体表面生长着一层细小的鳞片,这些鳞片有调节体温的作用.每当气温上升、阳光直射时,鳞 片自动张开,以减少阳光的辐射角度,从而减少对阳光热能的吸收；当外界气温下降时,鳞片自 动闭合,紧贴体表,让阳光直射鳞片,从而把体温控制在正常范围之内.科学家经过研究,为人造 地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。机翼曲线与鸟类。1800年左右，英国科学家、空气动力学的创始人之一凯利，模仿山鹏 的纺锤形，找到阻力小的流线型结构。凯利还模仿鸟翅设计了一种机翼曲线，对航空技术的诞 生起了很大的促进作用。同一时期，法国生理学家马雷，对鸟的飞行进行了仔细的研究，在他 的著作动物的机器一书中，介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹也从研 究飞行动物中，发现飞行动物的体重与身体的线度的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行 物体身体大小的局限。人们通过对鸟类飞行器官的详细研究和认真的模仿，根据鸟类飞行机构 的原理，终于制造了能够载人飞行的滑翔机。雷达导航与蝙蝠。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。翼尖小翼与鹰隼。飞机在飞行中由于上下压差的不同，翼尖附近机翼下表面空气会绕流到 上表面，形成翼尖涡，致使翼尖附近区域机翼上下表面的压差降低，从而导致这一区域产生的 升力降低。这是产生诱导阻力的根源。人们通过长期观察自然界大型鸟类，比如鹰和隼，发现 它们在飞行中展开翅膀向上偏折翅尖羽毛以减小阻力，从而实现远距离滑翔。受此启发，有专 家提出在翼尖加装短板来减小诱导阻力的想法。后来，设计师们不断研究，发明了翼尖小翼， 并将其安装在运输飞机上，以减小飞机的阻力。机身蒙皮与蒙古弓。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，蒙古弓要做的短小，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。机翼震颤与蜻蜓。飞机在高速飞行的时候，机翼会发生颤振现象。也就是说，飞机的翅膀 会不由自主地振动，这种有害的振动可能造成翼折人亡的惨剧。被誉为昆虫里“飞行之王”的 蜻蜓，它在振翅飞行时，也会遇到有害的颤振现象。但是，神奇的造物者赋予了它们消除这种 现象的方法。蜻蜓每一片翅膀前缘的上方，都有一块加厚的深色角质层或称色素斑，叫翅痣。 这就是它们消除颤振隐患的特殊装置。科学家虚心向蜻蜓学习，在飞机机翼前端的边缘，像打 补丁一样，安装了一块长方形的金属板，称为抗震颤装置。昆虫的小技巧，帮助人类解决了大 问题。机翼表面与海鸟。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。飞机涂料与鲨鱼皮。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。机舱设备与荷叶。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。列阵飞行与大雁。在自然界中，大雁迁徙时会列阵集体飞行以节省能量并增加飞行距离。 列阵飞行时，领头雁的翅膀会产生漩涡状气流，其后的雁就会因此得到额外的升力，也就是说 会省力。机翼也可以有同样的效果，称之为“尾涡”(Trailing Vor tex)。军用飞机经常利 用列阵飞行减少能耗。目前，客运喷气式飞机出于安全考虑，还没有使用这种方法。飞机降落与苍蝇。苍蝇一旦起飞，可在0.15秒内加速至每小时10公里的速度。苍蝇飞行 时的转向角速度可达每秒6个旋转，即2160度。苍蝇还能垂直上下飞行，甚至倒退飞行，即 使因撞到障碍物而突然失速，也可以在几毫秒内恢复飞行。不管在哪种表面，苍蝇都能轻巧地 达成零速度着地。昆虫学家研究发现，苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。当它飞行时，平衡棒以 一定的频率进行机械振动，可以调节翅膀的运动方向，是保持苍蝇身体平衡的导航仪。科学家 据此原理研制成一代新型导航仪一振动陀螺仪，大大改进了飞机的飞行性能LIJ,可使飞机自 动停止危险的滚翻飞行，在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡，即使是飞机在最复杂的急转 弯时也万无一失。机翼结构与蝴蝶。蝴蝶可谓是地球上最精美的生物之一，但其华丽的外表也掩饰了其复杂 精细的翅膀结构。这些翅膀可是它们高效飞行的利器。它们柔软的外膜和血管时紧时松，使其 能在任何飞行阶段都收放自如。同样，空客工程师已研发出可以在飞行中自动翻转的机翼。如 果可以控制其转动，那么飞行效率将得到提高，能耗也会降低。目前，工程师们正在研究是否 能够效仿蝴蝶的微毛细血管翅膀结构，在机翼设计中采用小型可移动表面及灵活的内部组件， 从而提高飞行效率。气动噪声与猫头鹰。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。喷气发动机与乌贼。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。3仿生在航空航天中的价值体现多年来宇宙飞船、航天飞机、空间飞行器的失败率很高,其主要原因是系统失效故障,由此 造成了重大的人员伤亡、经济损失、科研任务无法完成等。近年来空间探测活动越来越频繁, 因空间探测任务的特殊性,故对机载电子设备、测控系统的长期可靠性、可用性、可维护性提 出了极高的要求。仿生硬件的自适应、自主修复特性在空间应用中是非常重要的,仿生硬件将能解决空间探 测器的特殊性应用问题。例如,通过硬件进化可以使太空探测器在空间自修复,恢复由于空间辐 射或环境温度极高/极低引起部件故障、元器件老化、设计缺陷等原因所导致失效的功能,适应 恶劣的环境并延长其使用寿命,将大大提高系统的可靠性和可用性。基于仿生硬件的机载设备 包括各种航天器电子装置、智能传感器、控制与信息处理系统。开展仿生硬件基础理论与工程 技术应用研究,对于推动中国载人宇宙飞船、探月工程和未来火星探测计划的迅速发展将有重 要作用。仿生设计学作为人类社会生产活动与自然界的锲合点,使人类社会与自然达到了高度的统 一,正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。自古以来,自然界就是人类各种科学技术原理及重大 发明的源泉。生物界有着种类繁多的动植物及物质存在,它们在漫长的进化过程中,为了求得生 存与发展,逐渐具备了适应自然界变化的本领。人类生活在自然界中,与周围的生物作“邻居”, 这些生物各种各样的奇异本领,吸引着人们去想象和模仿。人类运用其观察、思维和设计能力,开始了对生物的模仿,并通过创造性的劳动,制造出简单的工具,增强了自己与自然界斗争的本 领和能力。在航天科技发展的过程中，科学探索和技术应用同时存在，大量的科学问题转化为现实的 方法和工程技术的问题。认识的超前、系统的庞大、投入的巨大和技术转化滞后，会在技术上 呈现出螺旋式上升的超前和延迟效应。系统的复杂性和解决问题的难度，需要边缘学科、交叉 学科的渗透和融入来解决创新与突破的问题。通过仿生科学对航天技术的启示分析，仿生学的 发展为技术的突破和复杂问题的解决，提供了一条有效的途径和最大的可能。如我国古代勤劳勇敢的劳动人民对于绚丽的天空、翱翔的苍鹰早就有着各种美妙的幻想。 根据秦汉时期史书记载,两千多年前,我国人民就发明了风筝,并且应用于军事联络。春秋战国 时代,鲁国匠人鲁班,本名公输般,首先开始研制能飞的木鸟；并且他从一种能划破皮肤的带齿 的草叶得到启示而发明了锯子。据杜阳杂编记载,唐朝有个韩志和,“善雕木作鸾、鹤、鸦、 鹊之状,饮啄动静与真无异,以关戾置于腹内,发之则凌云奋飞,可高达三丈至一二百步外,始却 下。”西汉时期,有人用鸟的羽毛做成翅膀,从高台上飞下来,企图模仿鸟的飞行。以上几例, 足以说明我国古代劳动人民对鸟类的扑翼和飞行,进行了细致的观察和研究,这也是最早的仿 生设计活动之一。明代发明的一种火箭武器“神火飞鸦”,也反映了人们向鸟类借鉴的愿望。 4.仿生学在航空航天中的发展前景新中国成立以来，我国的航空航天事业在政府的支持下不断发展，目前我国的航天航空事 业在国际上已经占有一定的重要地位。嫦娥五号“探路者”发射与返回，验证了我国位于世界 前列的洲际导弹水平，很高的卫星发射成功率等等，这些都说明了我国在航空航天发展方面取 得了不可忽视的成就。但是成功并不能掩盖存在的问题，有专家评价过，中国的航天水平与世界先进水平的差距 是 10-15 年，我国在民用飞机的发展上仍然是一片空白，在军用航空技术方面，我国与世界先 进水平的差距有20-30 年。而人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地 把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。所以，人类对仿生学的研究远不会 结束，并且会越来越广，越来越丰富，越来越全面。仿生学永远都是人类研究的大课题之一。