飞机中的仿生原理

飞机中的仿生原理

飞机在高速飞行中机翼突然莫名其妙地折断的事故在历史上已发生过很多起，科学家们对此进行过很多研究，但一直未弄清原因。最后，才知道是颤振作用使机翼折断。

颤振是气体动力学中一种气动弹性现象。飞行器结构在匀直气流中，因为受到空气动力、弹性力与惯性力三者的共同作用，产生一种自激振动。飞行越快，机翼受到动力作用，使机翼的振辐越来越大，最终将机翼折断。问题找出后，飞机设计师们在机翼前缘离翼端不远处安装了一个加重装置，减除颤振，终于解决了机翼折断的问题。然而，善飞的蜻蜓的双翅薄到透明，但飞行速度每小时可达140公里，它的双翅却未见折断，又是怎样抗颤振的呢？昆虫学家发现在蜻蜓的前后翅的前缘，离翅端不远处，也有一块深色的角质组织加厚区，叫翅痣。如果将翅痣去掉，蜻蜓在飞行时，同样也会折断双翅。证明正是这块角质组织使蜻蜓双翅消除了颤振的危害。蜻蜓的翅痣与飞机的抗颤振装置简直如出一辙，如果飞机设计师早知这个奥妙，在抗颤振研究上就会少走很多弯路，航天史上也会少发生很多悲剧。类似这种吻合的例子还有很多。

在20世纪30年代出现的直升飞机，由于不需要跑道就能在很小范围内由地面垂直升起和垂直降落地面，并能将机身悬空定身，因此，它起到了其它飞机所不能起到的作用。例如，野外工作人员在森林、山谷或海面出事，需要急救，这时直升飞机就可迅速飞到出事地点，降落或悬空放下吊梯，送去医生和药品或将受伤者接去医院急救。直升飞机主要由旋翼、机身、发动机、升降器和操纵系统等部分组成。用旋翼转动产生升力，不需跑道就能升降，这种本领在鸟类中的蜂鸟早就具有了。

蜂鸟是一种细小的小鸟，最小的蜂鸟比黄蜂还小，主要分布在南美洲和中美洲热带地区。蜂鸟羽色十分艳丽。嘴细长呈管状，舌能自由伸出，有些蜂鸟的舌端呈毛刷状，食花蜜和花上的小虫，常飞行于花丛间，飞行时双翼拍动得很快，每秒能达70次。蜂鸟的飞翔与直升飞机相同，不但能向前飞、倒退飞和向两侧飞，还能悬空定身飞。蜂鸟的双翼结构与大多数鸟类不同，它们的腕和肘关节几乎不能动，整只翼几乎直挺的由一个转轴关节连接在肩上。通过高速摄影可以看出蜂鸟的飞翔动作与直升飞机非常相像，所不同的是直升飞机的旋翼是转圆圈，而蜂鸟的翼是前后划动的。直升飞机在空中定身不进时，由发动机带动旋翼所成的平面与地面平行旋转，产生升力，升力大于机体体重，机体就上升；小于机体就下降；等于机体就悬停在半空。蜂鸟展开双翼所成平面与地面平行拍动，产生升力，使升力等于蜂鸟体重，就将身体悬停空中。鸟翼向前划时翼缘稍稍倾斜，形成一个上迎角，产生升力，而无前冲力；向后划时，整只翼在肩部作180°转向，使前缘转向后方，于是得到相同的上升力而无推前作用，故使鸟体悬在空中不进不退。直升飞机利用旋翼向所飞方向倾斜，机身就能向前、后、左、右或任何方向推进或后退。蜂鸟的翼也是这样，蜂鸟也能由地面垂直升起。

喷气式飞机是一种高速飞机，到20世纪70年代，涡轮喷气式飞机的最大平飞速度已达音速的3倍以上，飞行高度可以达到3万米。喷气式飞机装配有喷气式航空发动机，主要有涡轮喷气、冲压喷气和脉动喷气三种。利用发动机向后喷气给空气一个作用力，空气也给机身一个大小相等、方向相反的反作用力，推动机身前进，从而提高了飞行速度。“喷气推进”的原理在鸟类中尚未发现，但在鱼类、柔鱼和头足类乌贼早就在应用了，不过不是喷气，而是喷水推进。

鱼在水中运动主要有三种方式：一是肌肉交替收缩和舒张，使鱼左右摆动；二是鳍的摆动；三是鳃孔的向后喷水，使鱼体向前疾进，这是一种重要的运动方式，鱼张口吸水，然后闭嘴使水从鳃孔喷出，借助水给予的反作用力推动躯体前进，这与喷气式飞机喷气推进道理一样。高速运动的鱼类，喷水时，正在鱼体弯曲以后向前推进的一刹那，喷水效果也最大。此外，鱼开始运动时，喷水力量也最大。如果鱼类将一侧鳃盖闭合，使水全部由另一侧鳃盖裂孔中喷出，就可辅助胸鳍使鱼体作急速转弯。

柔鱼和乌贼一直在应用喷射推进作高速运动，它们身体背侧的皮肤褶襞向下伸展形成外套膜，包围着一个空腔，叫外套腔。在口的周围有10条腕足，足的基部形成一个漏斗，是外套腔通向外界的孔口。漏斗与外套膜以软骨形成的闭锁器相连，水流经过漏斗进入外套腔。当乌贼和柔鱼快速运动时，外套膜肌肉用力收缩，使外套腔内的水急剧由漏斗喷出，身体就借水的反作用而急速游进，可使它的运动速度高达每秒15米。我国造船工业科技人员模拟乌贼的喷水器制成用于浅水航行的喷水拖船。