火箭院正在研制像蜜蜂一样可变形的飞行器

发布时间 : 2018-03-23     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

  鸟类和少数哺乳动物飞行时,会不停变换翅膀、头部等部位的姿态,从而以最轻松自在的身姿飞得更久、更远。
  未来,飞行器也能变换身姿。中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”)研发中心的设计师们模仿蜜蜂的腹部结构,开展可变形飞行器研究,将让飞行器轻松飞更远。 

 
蜜蜂与未来飞行器

 
  据该项目设计师胡国暾介绍,空天飞行器如用于亚轨道旅游的重复使用运载器,要先穿越大气层到达太空,然后再返回再入大气层。再入过程中,为了节约燃料,飞行器会利用自身惯性滑翔一段时间,同时尽可能减小飞行阻力。
  如何让飞行器更轻松自在地飞向更远的地方,设计人员从蜜蜂的身体结构中获得了灵感,胡国暾说:“蜜蜂的腹部由一节一节腹节组成,并由节间膜连接在一起,这种结构使得蜜蜂的腹部能够自由伸缩,从而控制飞行方向。”

    
△ 蜜蜂腹部分节构造和弯曲变形

  为了减小飞行器的飞行阻力,设计人员参照蜜蜂的腹部,将其头部设计成可变形的锥状。
  胡国暾介绍,当飞行器处在不同的飞行阶段、气动阻力不同时,会改变其头部形状,例如在滑翔阶段,飞行器会将头部伸展开,并像蜜蜂腹部一样向下微微弯曲,“就好比人在风中前行,身体向前微倾,这样风阻小点,人更轻松一点”。
  通过仿真,设计人员发现,在可承受的载荷前提下,变锥头航天器可使锥头部分气动阻力降低20%以上,对有效增大航程有十分重要的意义。
  胡国暾说:“对于商业航天来说,航天器变形设计也很重要。若应用于太空旅游的重复使用运载器,可变形头锥可降低阻力,减少燃料使用,那么就可以通过增加乘客数量来降低单人‘机票’费用,竞争力会大大提高。”

 
仿生学与航空航天

 
  自上世纪中叶,仿生学概念被提出以来,各国学者开始研究仿生结构设计,为飞行器减阻减重。
  上世纪30年代,国外有研究机构就利用铝箔制成六角型铝蜂窝芯材料,用在飞机上,有效减轻了飞机重量。
  美国Florida大学的Lind课题组从海鸥翅膀获得等效仿生机构,研制出两自由度小型变体飞行器。

 
△仿海鸥变体飞行器原理样机

  德国科技公司费斯托(FESTO)的科学家发明了一种叫做SmartBird的机器鸟,它可以自主启动、飞翔和降落,灵活程度媲美真正的鸟类。它可以在天空自主滑翔,并通过摆动尾巴和脑袋来改变方向,其逼真的外形令人难辨真伪。

 
△SmartBird机器鸟

  美国的B1b轰炸机模仿鸟类翅膀,使用了可变后掠机翼,外翼段可在15度到67.5度之间变化,以适应不同速度下的飞行,有利于改善各高度飞行性能及起落性能,同时可增加航程。

 
△美国B1b轰炸机

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