飛行器設計中的仿生學應用探析

梅亞飛+賀子鵬+李一銘

摘 要：“師法自然”是我國古老的科學理念，也是最為樸素的仿生學原理。因此仿生學對于人類技術發(fā)展起到了不可忽視的促進作用。文章針對仿生學在飛行器設計中的應用實踐，開展了設計原理與技術意義研究，為仿生學在飛行器設計中的應用提供理論支持。

關鍵詞：飛行器；設計；仿生學；應用

隨著我國航空航天技術的不斷發(fā)展，我國飛行器技術自主設計研究領域得到了極大的發(fā)展。在這一研究過程中，大量傳統(tǒng)設計技術得到了創(chuàng)新性發(fā)展，為設計質量提升提供了有效的支持。其中仿生設計技術，作為一項傳統(tǒng)的設計技術理念，在當前的飛行器設計中得到了廣泛應用。因此飛行器設計技術人員，結合仿生技術傳統(tǒng)與新型理念，開展了針對性的設計技術研究，為飛行器設計質量提升提供支持。

1 飛行器設計中常用的仿生學理念

仿生學作為一門傳統(tǒng)的設計與技術學科，幾乎伴隨著人類歷史產生，并在1960年確定了“仿生學”科理論。仿生學在實際的應用中包括了力學、能量、控制、應用等各種科學理論內容。單就飛行器設計領域而言，我們常用的仿生學理念包括了以下幾類。

1.1 形態(tài)仿生

形態(tài)仿生是通過對動植物的形態(tài)進行模仿的仿生學科，也是人類最早的仿生類型。在飛行器設計中，從最早的滑翔機到航空航天飛行器都有明顯的形態(tài)仿生特征。如最早的達芬奇繪制的飛行器設計圖中，就是通過模仿蝙蝠形態(tài)進行的設計。在當前的飛行器設計中，形態(tài)仿生設計理念極為普遍。如雙翼形態(tài)、流線性體型、尾翼平衡狀態(tài)等，都是對鳥類形態(tài)的一種仿生設計。同時部分設計研究者還提出了模仿魚類、昆蟲等身體形態(tài)，進行飛行器形態(tài)設計。如科拉尼在1977年為波音公司設計一款飛機，就模仿了海洋動物巨齒鯊，顛覆了已有飛行器的傳統(tǒng)形態(tài)。而在當前微型無人機設計中，設計者往往模仿昆蟲類動物形態(tài)開展設計工作，為飛行器形態(tài)發(fā)展提供新的發(fā)展思路。

1.2 功能仿生

功能仿生是指在飛行器設計中，通過對動物的功能進行模仿，進而為飛行器技術功能的實現提供幫助。在飛行器設計中，功能仿生的應用也較為普遍。如在飛機降落過程中，為了提高起落架的安全性，設計者模仿鳥類腳步彈性減震作用，設計出彈性減震起落架，提高了飛行器起落中的安全性與舒適性。而在夜間航行中，設計者模仿蝙蝠微波導航作用，設計出雷達導航系統(tǒng)，提高了飛機夜間飛行的安全性。隨著飛行器設計的不斷進步，其對于動物的功能模仿也更加深入，其中較為明顯的是航天器設計中設計者通過對墨魚噴射功能的模仿，設計出的飛行火箭與導彈飛行功能，在當前的航天飛行設計依然得到了廣泛采用。又如在飛行控制過程中，將象鼻蟲對于視動反應的功能進行仿生研究，研制出自相關測速儀設備，用于在飛行器降落過程中用于飛機著陸速度測定工作，提高了飛機降落的安全性。

1.3 肌理仿生

肌理仿生是一種新型的仿生學技術，其技術理念就是通過對動物肌理特征與構成進行研究，通過仿生技術為飛行器設計提供支持。與形態(tài)仿生比較，肌理仿生在應用中更重視表面材料與結構構成的內在特性。如設計者通過對昆蟲類動物（如甲蟲類、瓢蟲類動物等）外殼肌理構造進行研究，并將其肌理構造應用與飛機外殼設計，既可以很好的降低飛機整體重量，同時提高了飛機外殼的堅固性。作為一項新型的仿生技術學科，肌理仿生在飛行器設計中依然居有較大的上升空間，進而為飛行器設計提供新的發(fā)展空間。

1.4 意象仿生

意象仿生是設計者對自然現象以及動物特性進行觀察、分析、思考、總結，并將其引入飛行器設計，形成整體化設計體系的一種仿生理念。與其他仿生技術比較而言，意象仿生更加注重理念與設計思維模式的實現，因此其對設計者提供了較高的設計要求。因此在意象仿生設計中，往往通過設計名稱就可以對飛行器特點產生直觀認識。如著名的“金雕”蘇-47多功能戰(zhàn)斗機，就是利用對金雕飛行速度與戰(zhàn)斗力的體現，對戰(zhàn)斗機進行命名。與之相同的飛行器命名方式還包括了“大黃蜂”、“猛禽”戰(zhàn)斗機，“全球鷹”無人偵察機以及“蜜蜂”系列微型直升機等。

1.5 人體仿生

在當前的飛行器設計中，仿生學的應用不僅局限在動物仿生階段，人力仿生學也得到了有效的應用。這種應用主要應用在以下兩個內容。一是在載人飛行器的內部設計中，人體仿生與人力力學的應用，可以提高飛行器駕駛與乘坐者在飛行過程中的舒適性。如使用人體仿生學設計的飛行器座椅，可以降低駕駛員與乘坐者的疲勞感，保障了長途飛行的感受質量。二是提高了飛行中的技術性。對于部分技術性與危險性較高的飛行問題，人體仿生學也可以發(fā)揮出重要作用。如在載人航天飛行中，利用人體仿生學設計的機械臂設備代替宇航員完成太空作業(yè)，可以很好的提高宇航飛行的安全性。

2 仿生學在飛行器應用中的應用意義

在我國與國際飛行器設計研究中，仿生學的應用一直是設計者應用的設計理念。在未來的飛行器設計中仿生學的應用可以發(fā)揮出以下作用。

2.1 提高飛行器整體性能

在飛行器設計領域中，仿生技術的應用對其飛行、降落、應用等各項功能都有著重要的促進作用。因此在未來的設計領域中，仿生學的應用在飛行器設計中可以起到良好的性能提升作用。如利用肌理仿生技術理念，我們可以利用飛行器涂料的技術，減少飛行器飛行中阻力進而提高其飛行速度，就是利用仿生技術提高飛行器飛行性能的一種技術措施。同時在飛行器輔助性能的技術設計中，仿生技術也發(fā)揮著重要作用。如在飛行器導航系統(tǒng)設計中，我們可以借鑒候鳥飛行中的導航原理，利用GPS、北斗等定位系統(tǒng)實現信息化導航模式，設計出全新的導航系統(tǒng)，提高飛行導航技術的安全與穩(wěn)定性。

2.2 實現飛行器環(huán)保性能

隨著社會環(huán)保意識的不斷加強，利用仿生技術實現飛行器的環(huán)保性能，也是仿生學在飛行器設計中的重要作用。如在小型飛行器設計中，我們可以利用形態(tài)仿生原理，提高飛行器對氣流、空氣浮力的利用率，進而降低飛行中對于油、電能源的消耗，進而提高其環(huán)保性能，就是仿生學在飛行環(huán)保性能中的促進作用。同時在飛行器配套技術的應用中，仿生學也可以發(fā)揮出重要的環(huán)保作用。如在客機設計中，我們可以利用仿生學原理為客機提供環(huán)保的服務系統(tǒng)，如可再生材料的座椅設備等，繼而實現其設計的環(huán)保理念。

2.3 為飛行器設計提供新的思路

飛行器是人類技術發(fā)展的重要產物，其設計發(fā)展依然具有較大的設計空間。但是在目前的飛行器設計領域中，設計者遇到了技術瓶頸，造成了新型飛行器設計創(chuàng)新困難的問題。在當前的飛行器外形設計中，我們將設計目光從鳥類仿生轉移到魚類仿生中，利用海洋魚類防水阻力的外形特性，利用仿生技術提高飛行器的飛行性能，如在未來飛行器設計中，設計者利用仿蝠鲼（即魔鬼魚）形態(tài)，提出了大型客機的設計理念，為未來大型與超大型客機設計提出了新的技術思路。

總而言之，仿生學原理在飛行器設計中的應用，一方面提高了飛行器的技術含量，提高了飛行器飛行、導航、服務等各項功能的發(fā)展；另一方面為新型飛行器設計提供了新的發(fā)展思路。在形態(tài)仿生、功能仿生、肌理仿生、意象仿生以及人體仿生技術支持下，我國的飛行器設計工作將迎來新的時代。

參考文獻

[1]江牧.工業(yè)設計仿生的價值所在[J].裝飾，2013（04）.

[2]王怡達，郭巖，聞有祿.仿生學在飛行器設計上的應用及意義[J].飛機設計，2016，36（01）.

作者簡介：梅亞飛（1995，07-），籍貫：湖北省黃岡市，研究方向：探測制導與控制技術。