未來飛機上的大自然靈感

張馳

1892年，在一艘郵輪上，英國工程師、發明家弗雷德里克·蘭切斯特在甲板上駐足，他看著輕盈的海鷗飛過天空、掠過海面。一連幾天里，他都在看海鷗飛行，他發現海鷗飛行時翅膀幾乎不動，但是翅膀的末端會向上翹起。他想到，翼尖的氣流或許為海鷗提供了額外的升力，讓它們保持飛行高度。這給了這位發明家靈感，他由此想到研發一種擁有類似海鷗翅膀的飛行器。不過，這個概念一直到20世紀70年代才被真正地應用到飛機上。今天，模仿海鷗翅膀的這個結構被稱為飛機小翼，是一個近乎垂直于機翼的機翼延伸結構，它的作用是提高飛機的飛行效率，延長飛行距離。

大自然一直都是我們的好老師，在制造飛機時也不例外，類似的源自大自然的靈感推動了飛機制造行業科技的創新和發展，有些靈感讓人大呼意外。讓我們來看看幾項可能會出現在未來飛機上的來自大自然的靈感。

在中南美洲的熱帶雨林中，生活著一種人手掌那么大的甲蟲，它就是世界上現存的最長的甲蟲，也是世界上最大的飛行甲蟲——大力神甲蟲。大力神甲蟲有一項特殊的能力，那就是能根據環境的濕度變化來調節鞘翅的顏色，以適應雨林中每日變化的色調。

大力神甲蟲的這項特殊能力得益于它們多層的“盔甲”。它們的外殼最外層是透明的，里層則是黑色的角質層，外層和里層之間夾著一層半透明的、海綿狀的黃色層。在干燥的條件下，黃色層中的孔隙僅容納空氣，因此陽光從該層結構反射黃色。而當環境較潮濕時，黃色層的孔隙就會充滿水分，這使得里層的黑色變得明顯起來，因此它們看起來顏色更深。

而在制造飛機的復合材料部件時，工程師們經常會遇到一個問題，零件在不同濕度下，性狀會發生改變。在制造某些零件時，如果濕度過高，會導致零件不夠堅固或者起泡，這樣的零件只能廢棄。現在要解決這個問題，只能安裝電子傳感器，但是這會耗費大量的資金。美國洛克希德·馬丁公司臭鼬工廠的工程師們從大力神甲蟲身上獲得了靈感，他們提出可以跟大力神甲蟲學習，設計一款變色貼紙。而這樣一款貼紙可以提醒工程師們，某一復雜結構是否正處于進行某個工序的合適的濕度水平，從而減少零部件的損耗。

不過，這個來自大力神甲蟲的靈感還在實驗室中，工程師們正在努力將靈感變成現實。相信在不久的將來，它將能為減少飛機零件制造過程中的人力和財力的耗費做出貢獻。

在南極大陸上，帝企鵝無疑是當之無愧的代言人，它們憨態可掬，走路時步履蹣跚，偶爾還會在冰面滑倒，在冰天雪地里滑行。與在地面上行走時的笨拙模樣形成鮮明對比的是，在水里，帝企鵝是當之無愧的游泳高手，它們總能優雅地俯沖、轉身和向上游，靈活地捕捉獵物和躲避獵食者。

帝企鵝如何能如此靈活地游泳呢？原因之一當然是它們擁有流線型的身體。此外，還因為它們的身體被油性羽毛覆蓋，形成水密層，從而使它們在游泳時減少阻力。不過海洋生物學家發現，帝企鵝能在水中“飛馳”，還因為它們的羽毛之下藏著“秘密武器”。原來，帝企鵝的羽毛細絲很小，可以將空氣困在羽毛之下。當它們入水時，藏在羽毛中的空氣被釋放出來，形成成千上萬的小氣泡。小氣泡與水結合，形成了氣泡狀的空氣-水混合物，包裹著帝企鵝的身體，從而降低它們周圍海水的密度，減少了游泳時的阻力。

2018年，美國宇航局的科學家艾塞亞·布蘭克森根據帝企鵝游泳的技術，開始研究一項削弱或者消除飛機音爆的技術。布蘭克森的設想是，在飛機的前部安裝一個激光發射器，用于發射激光脈沖，使空氣電離，產生等離子體細絲。從理論上來說，從空氣到等離子體細絲的快速轉變應該會產生一次波和二次波，這些波會持續抑制產生音爆的弓形波的形成，從而達到削弱或者消除音爆的效果。

帝企鵝游泳時，藏在羽毛下的空氣形成氣泡，這些氣泡降低了海水對帝企鵝的阻力。

目前，布蘭克森所做的一些初步實驗已經取得了成功，不過，這還只是開始，還有大量的問題需要解決，比如什么樣的激光脈沖抑制弓形波形成的效果最好、激光發射器如何設計才更輕、功率才能滿足真正的飛機使用等。看來，未來超音速飛機實現無聲飛行是有可能實現的。

斑海豹生活在西北太平洋，長相呆萌，它們的胡須形狀更可愛，像是燙過的波浪卷發。別小看這些胡須，它們的樣子無關美貌，而是關乎生存。生物學家發現，斑海豹波浪狀的胡須與直的胡須相比，能產生更小的尾流、更弱的湍流和受到更小的阻力。這樣一來，斑海豹在游泳時，胡須也能保持相對靜止，從而可以完美地完成胡須的任務——感應小龍蝦在黑暗的北極海域產生的微小振動，幫助斑海豹捕捉小龍蝦，以解決溫飽問題。

美國宇航局的研究人員從斑海豹的胡須得到靈感，研發一款低阻力、單側有波紋的渦輪葉片。之所以是單側有波紋，是因為當空氣和燃料廢氣的混合物沖過渦輪葉片時，葉片必須有一個低壓側（如機翼頂部）和一個高壓側（如機翼底部），這樣才能確保葉片旋轉時有向上的推力，使飛機保持飛行高度。

在研究過程中，研究人員繪制斑海豹胡須的參數圖，創建了放大版的3D模型，并在風洞中進行測試。結果顯示，就像在水中一樣，胡須的波浪形狀有助于保持水流附著在它們的表面。如果將飛機的渦輪噴氣發動機的渦輪葉片做成類似斑海豹須的樣子，那么就能減少湍流的產生，減小阻力。

研究人員對比了光滑的渦輪葉片模型和有波浪結構的葉片，結果發現后者確實受到的阻力更小，產生的湍流更少，如果模仿斑海豹須，將渦輪葉片加以改造，可以提高飛機的動力，降低燃油消耗，降低噪音。研究人員對此信心十足，預計在未來五年內，這個來自斑海豹波浪卷胡須的靈感將能進行應用測試。

大自然中有許多線條柔美但卻堅固的東西，比如有著彎曲線條的樹木，被大自然塑造過的圓潤的石塊等。人們早已領略大自然中的這種剛柔并濟的美感，并應用到了建筑和家具的設計、藝術作品的創作等方面，飛機的制造是否也能參考這種剛柔并濟呢？

事實上，飛機的外形已經借鑒了大自然，它的外形具有流線型，而不是方形或者其他多邊形，這有利于飛機在天空中飛行。但是工程師們覺得這還不夠，飛機的其他部件還可以更柔美，能彎曲和扭轉的變形飛機飛行操縱面就是他們想要改造的部分。飛機的飛行操縱面包括飛機的升降舵、副翼、方向舵、前緣縫翼、襟翼、擾流板等，它們的作用是在飛機飛行和在地面高速滑行時協助操控飛機。

在傳統的飛機上，飛行操縱面是由鉸鏈連接剛性板而成，這種操縱面會產生阻力。而可變形操縱面則具有靈活性，這種靈活可變的外形通過調整組成操縱面的材料，或者表面之下的復合梁來實現。事實上，可變形飛行操縱面不是一個新的概念，2014年到2017年，美國宇航局研制的灣流Ⅲ型噴氣式飛機上就配備了可變形襟翼，結果顯示飛行時燃油效率提高了3%～4%。其他的實驗也證明，可變形操縱面確實能為飛機節省燃油。

此外，新的可變形操縱面將消除縫接或鉸鏈帶來的阻力，可以說，飛機的飛行操縱表面就是“一個連續的表面”。靈活的、鉸接的過渡面將能像扇子一樣展開，保持機翼的固定部分與可變形操縱面相連。

現在，這種新設計的可變形飛行操縱面已經完成了測試，應用在真正的飛機上指日可待。