未来飞机上的大自然灵感

1892年，在一艘邮轮上，英国工程师、发明家弗雷德里克·兰切斯特在甲板上驻足，他看着轻盈的海鸥飞过天空、掠过海面。

一连几天里，他都在看海鸥飞行，他发现海鸥飞行时翅膀几乎不动，但是翅膀的末端会向上翘起。

他想到，翼尖的气流或许为海鸥提供了额外的升力，让它们保持飞行高度。

这给了这位发明家灵感，他由此想到研发一种拥有类似海鸥翅膀的飞行器。

不过，这个概念一直到20世纪70年代才被真正地应用到飞机上。

今天，模仿海鸥翅膀的这个结构被称为飞机小翼，是一个近乎垂直于机翼的机翼延伸结构，它的作用是提高飞机的飞行效率，延长飞行距离。

大自然一直都是我们的好老师，在制造飞机时也不例外，类似的源自大自然的灵感推动了飞机制造行业科技的创新和发展，有些灵感让人大呼意外。

让我们来看看几项可能会出现在未来飞机上的来自大自然的灵感。

变色的大力神甲虫——湿度感应贴纸
在中南美洲的热带雨林中，生
活着一种人手掌那么大的甲虫，它就是世界上现存的最长的甲虫，也是世界上最大的飞行甲虫——大力神甲虫。

大力神甲虫有一项特殊的能力，那就是能根据环境的湿度变化来调节鞘翅的颜色，以适应雨林中每日变化的色调。

大力神甲虫的这项特殊能力得益于它们多层的“盔甲”。

它们的外壳最外层是透明的，里层则是黑色的角质层，外层和里层之间夹着一层半透明的、海绵状的黄色层。

在干燥的条件下，黄色层中的孔隙仅容纳空气，因此阳光从该层结构反
射黄色。

而当环境较潮湿时，黄色层的孔隙就会充满水分，这使得里层的黑色变得明显起来，因此它们看起来颜色更深。

而在制造飞机的复合材料部件时，工程师们经常会遇到一个问题，零件在不同湿度下，性状会发生改变。

在制造某些零件时，如果湿度过高，会导致零件不够坚固或者起泡，这样的零件只能废弃。

现在要解决这个问题，只能安装电子传感器，但是这会耗费大量的资金。

美国洛克希德·马丁公司臭鼬工厂的工程师们从大力神甲虫身上获
未来飞机上的大自然灵感
张驰/文
大力神甲虫的颜色随湿度变化而变化
大力神甲虫外鞘翅表面之下
有一层多孔结构。

湿度变化时这个结构的反光会发生变化，使大力神甲虫变色。

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科 技 前 沿
Frontier
得了灵感，他们提出可以跟大力神甲虫学习，设计一款变色贴纸。

而这样一款贴纸可以提醒工程师们，某一复杂结构是否正处于进行某个工序的合适的湿度水平，从而减少零部件的损耗。

不过，这个来自大力神甲虫的灵感还在实验室中，工程师们正在
努力将灵感变成现实。

相信在不久的将来，它将能为减少飞机零件制造过程中的人力和财力的耗费做出贡献。

游泳的帝企鹅——消除音爆
在南极大陆上，帝企鹅无疑是当之无愧的代言人，它们憨态可掬，走路时步履蹒跚，偶尔还会在冰面滑倒，在冰天雪地里滑行。

与在地面上行走时的笨拙模样形成鲜明对比的是，在水里，帝企鹅是当之无愧的游泳高手，它们总能优雅地俯冲、转身和向上游，灵活地捕捉猎物和躲避猎食者。

帝企鹅如何能如此灵活地游泳呢？原因之一当然是它们拥有流线型的身体。

此外，还因为它们的身体被油性羽毛覆盖，形成水密层，从而使它们在游泳时减少阻力。

不过海洋生物学家发现，帝企鹅能在水中“飞驰”，还因为它们的羽毛之下藏着“秘密武器”。

原来，帝企鹅的羽毛细丝很小，可以将空气困在羽毛之下。

当它们入水时，藏在羽毛中的空气被释放出来，形成成千上万的小气泡。

小气泡与水结合，形成了气泡状的空气-水混合物，包裹着帝企鹅的身体，从而降低它们周围海水的密度，减少了游泳时的阻力。

2018年，美国宇航局的科学家艾塞亚·布兰克森根据帝企鹅游泳的技术，开始研究一项削弱或者消除飞机音爆的技术。

布兰克森的设想是，在飞机的前部安装一个激光
发射器，用于发射激光脉冲，使空
气电离，产生等离子体细丝。

从理
论上来说，从空气到等离子体细丝
的快速转变应该会产生一次波和二
次波，这些波会持续抑制产生音爆
的弓形波的形成，从而达到削弱或
者消除音爆的效果。

目前，布兰克森所做的一些初
步实验已经取得了成功，不过，这
还只是开始，还有大量的问题需要
解决，比如什么样的激光脉冲抑制
弓形波形成的效果最好、激光发射
器如何设计才更轻、功率才能满足
真正的飞机使用等。

看来，未来超
音速飞机实现无声飞行是有可能实
现的。

斑海豹须——涡轮叶片
斑海豹生活在西北太平洋，长
相呆萌，它们的胡须形状更可爱，
像是烫过的波浪卷发。

别小看这
些胡须，它们的样子无关美貌，而
是关乎生存。

生物学家发现，斑海
豹波浪状的胡须与直的胡须相比，
能产生更小的尾流、更弱的湍流和
受到更小的阻力。

这样一来，斑海
豹在游泳时，胡须也能保持相对静
止，从而可以完美地完成胡须的任
务——感应小龙虾在黑暗的北极
海域产生的微小振动，帮助斑海豹
捕捉小龙虾，以解决温饱问题。

美国宇航局的研究人员从斑
海豹的胡须得到灵感，研发一款低
阻力、单侧有波纹的涡轮叶片。

之
所以是单侧有波纹，是因为当空气
和燃料废气的混合物冲过涡轮叶
片时，叶片必须有一个低压侧（如
机翼顶部）和一个高压侧（如机翼
底部），这样才能确保叶片旋转时
有向上的推力，使飞机保持飞行高
度。

在研究过程中，研究人员绘制
斑海豹胡须的参数图，创建了放大
版的3D模型，并在风洞中进行测
试。

结果显示，就像在水中一样，胡
须的波浪形状有助于保持水流附着
在它们的表面。

如果将飞机的涡轮
喷气发动机的涡轮叶片做成类似斑
海豹须的样子，那么就能减少湍流
的产生，减小阻力。

研究人员对比了光滑的涡轮叶
片模型和有波浪结构的叶片，结果
发现后者确实受到的阻力更小，
产斑海豹
帝企鹅游泳时，藏在羽毛下的空气形成气
泡，这些气泡降低了海水对帝企鹅的阻力。

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生的湍流更少，如果模仿斑海豹须，将涡轮叶片加以改造，可以提高飞机的动力，降低燃油消耗，降低噪音。

研究人员对此信心十足，预计在未来五年内，这个来自斑海豹波浪卷胡须的灵感将能进行应用测试。

大自然的线条
——可变形飞行操纵面
大自然中有许多线条柔美但却坚固的东西，比如有着弯曲线条的树木，被大自然塑造过的圆润的石块等。

人们早已领略大自然中的这种刚柔并济的美感，并应用到了建筑和家具的设计、艺术作品的创作等方面，飞机的制造是否也能参考这种刚柔并济呢？
事实上，飞机的外形已经借鉴了大自然，它的外形具有流线型，而不是方形或者其他多边形，这有利于飞机在天空中飞行。

但是工程师们觉得这还不够，飞机的其他部件还可以更柔美，能弯曲和扭转的变形飞机飞行操纵面就是他们想要改造的部分。

飞机的飞行操纵面包括飞机的升降舵、副翼、方向舵、前缘缝翼、襟翼、扰流板等，它们的作用是在飞机飞行和在地面高速滑行时协助操控飞机。

在传统的飞机上，飞行操纵面是由铰链连接刚性板而成，这种操纵面会产生阻力。

而可变形操纵面则具有灵活性，这种灵活可变的外形通过调整组成操纵面的材料，或者表面之下的复合梁来实现。

事实上，可变形飞行操纵面不是一个新的概念，2014年到2017年，美国宇航局研制的湾流Ⅲ型喷气式飞机上就配备了可变形襟翼，结果显示飞行时燃油效率提高了3%～4%。

其他的实验也证明，可变形操纵面确实能为飞机节省燃油。

此外，新的可变形操纵面将消除缝接或铰链带来的阻力，可以说，飞机的飞行操纵表面就是“一个连续的表面”。

灵活的、铰接的过渡面将能像扇子一样展开，保持机翼的固定部分与可变形操纵面相连。

现在，这种新设计的可变形飞行操纵面已经完成了测试，应用在真正的飞机上指日可待。

用植物作电器
安薇/文
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爆炸物
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