未来飞机上的大自然灵感

张驰

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，類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。

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。

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。

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。

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。研究人員对此信心十足，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。