飞行器设计中的仿生学应用探析

梅亚飞+贺子鹏+李一铭

摘 要：“师法自然”是我国古老的科学理念，也是最为朴素的仿生学原理。因此仿生学对于人类技术发展起到了不可忽视的促进作用。文章针对仿生学在飞行器设计中的应用实践，开展了设计原理与技术意义研究，为仿生学在飞行器设计中的应用提供理论支持。

关键词：飞行器；设计；仿生学；应用

随着我国航空航天技术的不断发展，我国飞行器技术自主设计研究领域得到了极大的发展。在这一研究过程中，大量传统设计技术得到了创新性发展，为设计质量提升提供了有效的支持。其中仿生设计技术，作为一项传统的设计技术理念，在当前的飞行器设计中得到了广泛应用。因此飞行器设计技术人员，结合仿生技术传统与新型理念，开展了针对性的设计技术研究，为飞行器设计质量提升提供支持。

1 飞行器设计中常用的仿生学理念

仿生学作为一门传统的设计与技术学科，几乎伴随着人类历史产生，并在1960年确定了“仿生学”科理论。仿生学在实际的应用中包括了力学、能量、控制、应用等各种科学理论内容。单就飞行器设计领域而言，我们常用的仿生学理念包括了以下几类。

1.1 形态仿生

形态仿生是通过对动植物的形态进行模仿的仿生学科，也是人類最早的仿生类型。在飞行器设计中，从最早的滑翔机到航空航天飞行器都有明显的形态仿生特征。如最早的达芬奇绘制的飞行器设计图中，就是通过模仿蝙蝠形态进行的设计。在当前的飞行器设计中，形态仿生设计理念极为普遍。如双翼形态、流线性体型、尾翼平衡状态等，都是对鸟类形态的一种仿生设计。同时部分设计研究者还提出了模仿鱼类、昆虫等身体形态，进行飞行器形态设计。如科拉尼在1977年为波音公司设计一款飞机，就模仿了海洋动物巨齿鲨，颠覆了已有飞行器的传统形态。而在当前微型无人机设计中，设计者往往模仿昆虫类动物形态开展设计工作，为飞行器形态发展提供新的发展思路。

1.2 功能仿生

功能仿生是指在飞行器设计中，通过对动物的功能进行模仿，进而为飞行器技术功能的实现提供帮助。在飞行器设计中，功能仿生的应用也较为普遍。如在飞机降落过程中，为了提高起落架的安全性，设计者模仿鸟类脚步弹性减震作用，设计出弹性减震起落架，提高了飞行器起落中的安全性与舒适性。而在夜间航行中，设计者模仿蝙蝠微波导航作用，设计出雷达导航系统，提高了飞机夜间飞行的安全性。随着飞行器设计的不断进步，其对于动物的功能模仿也更加深入，其中较为明显的是航天器设计中设计者通过对墨鱼喷射功能的模仿，设计出的飞行火箭与导弹飞行功能，在当前的航天飞行设计依然得到了广泛采用。又如在飞行控制过程中，将象鼻虫对于视动反应的功能进行仿生研究，研制出自相关测速仪设备，用于在飞行器降落过程中用于飞机着陆速度测定工作，提高了飞机降落的安全性。

1.3 肌理仿生

肌理仿生是一种新型的仿生学技术，其技术理念就是通过对动物肌理特征与构成进行研究，通过仿生技术为飞行器设计提供支持。与形态仿生比较，肌理仿生在应用中更重视表面材料与结构构成的内在特性。如设计者通过对昆虫类动物（如甲虫类、瓢虫类动物等）外壳肌理构造进行研究，并将其肌理构造应用与飞机外壳设计，既可以很好的降低飞机整体重量，同时提高了飞机外壳的坚固性。作为一项新型的仿生技术学科，肌理仿生在飞行器设计中依然居有较大的上升空间，进而为飞行器设计提供新的发展空间。

1.4 意象仿生

意象仿生是设计者对自然现象以及动物特性进行观察、分析、思考、总结，并将其引入飞行器设计，形成整体化设计体系的一种仿生理念。与其他仿生技术比较而言，意象仿生更加注重理念与设计思维模式的实现，因此其对设计者提供了较高的设计要求。因此在意象仿生设计中，往往通过设计名称就可以对飞行器特点产生直观认识。如著名的“金雕”苏-47多功能战斗机，就是利用对金雕飞行速度与战斗力的体现，对战斗机进行命名。与之相同的飞行器命名方式还包括了“大黄蜂”、“猛禽”战斗机，“全球鹰”无人侦察机以及“蜜蜂”系列微型直升机等。

1.5 人体仿生

在当前的飞行器设计中，仿生学的应用不仅局限在动物仿生阶段，人力仿生学也得到了有效的应用。这种应用主要应用在以下两个内容。一是在载人飞行器的内部设计中，人体仿生与人力力学的应用，可以提高飞行器驾驶与乘坐者在飞行过程中的舒适性。如使用人体仿生学设计的飞行器座椅，可以降低驾驶员与乘坐者的疲劳感，保障了长途飞行的感受质量。二是提高了飞行中的技术性。对于部分技术性与危险性较高的飞行问题，人体仿生学也可以发挥出重要作用。如在载人航天飞行中，利用人体仿生学设计的机械臂设备代替宇航员完成太空作业，可以很好的提高宇航飞行的安全性。

2 仿生学在飞行器应用中的应用意义

在我国与国际飞行器设计研究中，仿生学的应用一直是设计者应用的设计理念。在未来的飞行器设计中仿生学的应用可以发挥出以下作用。

2.1 提高飞行器整体性能

在飞行器设计领域中，仿生技术的应用对其飞行、降落、应用等各项功能都有着重要的促进作用。因此在未来的设计领域中，仿生学的应用在飞行器设计中可以起到良好的性能提升作用。如利用肌理仿生技术理念，我们可以利用飞行器涂料的技术，减少飞行器飞行中阻力进而提高其飞行速度，就是利用仿生技术提高飞行器飞行性能的一种技术措施。同时在飞行器辅助性能的技术设计中，仿生技术也发挥着重要作用。如在飞行器导航系统设计中，我们可以借鉴候鸟飞行中的导航原理，利用GPS、北斗等定位系统实现信息化导航模式，设计出全新的导航系统，提高飞行导航技术的安全与稳定性。

2.2 实现飞行器环保性能

随着社会环保意识的不断加强，利用仿生技术实现飞行器的环保性能，也是仿生学在飞行器设计中的重要作用。如在小型飞行器设计中，我们可以利用形态仿生原理，提高飞行器对气流、空气浮力的利用率，进而降低飞行中对于油、电能源的消耗，进而提高其环保性能，就是仿生学在飞行环保性能中的促进作用。同时在飞行器配套技术的应用中，仿生学也可以发挥出重要的环保作用。如在客机设计中，我们可以利用仿生学原理为客机提供环保的服务系统，如可再生材料的座椅设备等，继而实现其设计的环保理念。

2.3 为飞行器设计提供新的思路

飞行器是人类技术发展的重要产物，其设计发展依然具有较大的设计空间。但是在目前的飞行器设计领域中，设计者遇到了技术瓶颈，造成了新型飞行器设计创新困难的问题。在当前的飞行器外形设计中，我们将设计目光从鸟类仿生转移到鱼类仿生中，利用海洋鱼类防水阻力的外形特性，利用仿生技术提高飞行器的飞行性能，如在未来飞行器设计中，设计者利用仿蝠鲼（即魔鬼鱼）形态，提出了大型客机的设计理念，为未来大型与超大型客机设计提出了新的技术思路。

总而言之，仿生学原理在飞行器设计中的应用，一方面提高了飞行器的技术含量，提高了飞行器飞行、导航、服务等各项功能的发展；另一方面为新型飞行器设计提供了新的发展思路。在形态仿生、功能仿生、肌理仿生、意象仿生以及人体仿生技术支持下，我国的飞行器设计工作将迎来新的时代。

参考文献

[1]江牧.工业设计仿生的价值所在[J].装饰，2013（04）.

[2]王怡达，郭岩，闻有禄.仿生学在飞行器设计上的应用及意义[J].飞机设计，2016，36（01）.

作者简介：梅亚飞（1995，07-），籍贯：湖北省黄冈市，研究方向：探测制导与控制技术。