飛機

當人們看到天上飛翔的鳥兒,就夢想著自己也能夠自由飛翔。隨著技術的發展,人們不斷模仿鳥類來製造飛機。飛機由機翼、尾翼、搭載飛行員及乘客的機身以及起落裝置等結構組成,並完全模仿了鳥的翅膀、尾巴、身體、腿。

從自然中模仿的飛機零件——根據飛行速度而變化的機翼

美國海軍戰鬥機飛行員學校又稱「Top Gun」,「Top Gun」意指戰鬥機王牌飛行員,其同名電影中有幾個場面令人印象深刻,即飛行戰鬥機和騎摩托車的主人公競速的場面,以及主人公麥德林與米格機之間像表演特技飛行一樣倒飛的場面。電影《Top Gun》中登場的戰鬥機就是美國海軍的F-14「雄貓」戰鬥機。

如果說普通飛機是模仿鳥的形象而設計的,那麽F-14則模仿的是鳥類中根據飛行速度和飛行目的隨之變換的、猛禽類狩獵時的翅膀形狀,采用折疊式翅膀(variable-sweep wing)而製造。F-14的折疊機翼在飛行過程中保持展開狀態,並且可以在20~68度的角度之間向後自由折疊,隨著飛行速度的變化,機翼以最佳的升力-阻力比率保持展開角度。機翼的展開角度由中央飛行控製的計算機自動控製。

就像雕或鷹在天空中展翅翺翔時,一旦鎖定獵物,就會折疊翅膀加快降落速度一樣,F-14的靈感就來自鳥類的可變翼。F-14在低速下展開翅膀,能產生更大的升力,提升起落性能;在高速飛行中,隨速度的變化而折疊翅膀,這樣不僅能提高穩定性,還可以增加續航距離。另外,可變折疊機翼的優點是,在空間狹小的航空母艦甲板上,可以將機翼向後折疊到75度,從而節省空間。

從鰩魚身上得到靈感的「機翼-機身混合型」

近年來,隨著特斯拉公司的運載火箭SpaceX的成功,人們對後續製造超音速客機的期待也越來越大。對於超音速客機,曾經英國和法國聯合研製了三角翼協和式飛機,但由於超音速沖擊波引起的噪音、尾氣、成本等問題,於2003年停飛。

近年來,由機身和機翼合二為一的高超音速客機機翼-機身混合型的設計方案在網上屢見不鮮。其中,諾斯羅普·格魯曼公司研製的B-2隱形轟炸機是典型的機翼-機身混合型飛機,其靈感來自鰩魚身體和翅膀形狀。鰩魚翅膀呈波浪形狀,可以有效處理空氣流動,在水中也能發揮出色的靈活性。這種原理正適用於飛機的設計。

B-2轟炸機具有出色的隱形性能(使雷達難以探測的技術),鰩魚般形狀的、平整且寬大的幾何形狀的混合機翼-機身具有分散雷達波、使反射信號最小化的作用。

提高性能、降低噪音的翼尖

曾有一樁飛機事故,一架從機場起飛的小型飛機突然機翼折斷。原因是大型客機起飛後,在客機機翼末端產生了渦流(螺旋形氣流),渦流雖看不見,卻停留在大氣中,當小型飛機經過該區域時就會被卷入其中。飛機機翼末端產生的渦流不僅會對其他飛機造成損害,且從根本上來說,產生渦流就意味著具有很大的阻力,會消耗很多燃料。

在飛行中,鳥的翅膀在升力生成最優化方面發揮著重要作用,它的目的是為了平衡翅膀末端的升力和阻力。翼尖因為比翼中窄且鋒利,所以能有效控製空氣從翼尖經過時產生渦流,從而減少阻力,提高飛行效率。

當我們搭乘客機時,從窗外看機翼便可以看到機翼末端是彎曲的,這是模仿了鳥翅膀末端的形狀。

上圖描繪了普通飛機機翼末端(左)和客機機翼末端(右)產生的渦流形狀,可以看到翼尖彎曲的機翼末端比平坦的機翼末端產生的渦流更小。由此可知,機翼末端的形狀也能具有減少阻力、提高燃料效率、增加飛行穩定性、減少飛行中噪音的作用。

人類通過大自然擁有夢想。看到飛鳥就想造飛機;看到鳥不受空氣阻力地飛翔,就又研究如何將阻力降到最低,最後研製出了最先進的飛機。人類雖擁有模仿自然製造類似東西的卓越技術,但創造主賜予我們的「自然」才是人類發展的最偉大的老師。

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