仿生學(xué)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

仿生學(xué)是研究、模仿生物系統(tǒng)，或具有生物系統(tǒng)特征方式，亦或類似于生物系統(tǒng)工作方式的系統(tǒng)科學(xué)。通過模仿動(dòng)植物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能和行為，從中得到啟發(fā)，并在此過程中不斷創(chuàng)新，最終得到接近或超越生物原型的功能，從而解決人類面臨的技術(shù)問題，這就是仿生學(xué)的思想。這一思想在生物學(xué)和技術(shù)之間架起了一座橋梁，通過再現(xiàn)生命現(xiàn)象的原理，找到解決工程問題的途徑和方案。仿生學(xué)的發(fā)展與人類認(rèn)識自然的水平和層次直接相關(guān)。人類對生物功能的模仿已經(jīng)從最初的宏觀尺度深入到微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)。隨著人類對生物認(rèn)識的不斷深入，以及新材料、新工藝、新測試方法的不斷發(fā)展，仿生學(xué)也進(jìn)入到一個(gè)全新的發(fā)展階段。目前，科研人員正在不斷探索，試圖運(yùn)用仿生學(xué)原理來解決人類在日常生產(chǎn)生活中遇到的實(shí)際工程問題，并在仿生流體減阻降噪、材料表面自清潔、自修復(fù)、抗磨蝕、抗疲勞，以及增效等方面初步實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是尖端科技的綜合體現(xiàn)，是使用要求與條件最為嚴(yán)苛的動(dòng)力裝置。隨著高推重比、低油耗、高可靠性、長壽命的現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，其零部件的工作條件變得越來越苛刻。將仿生學(xué)的先進(jìn)思想應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件中，可能會是一種有效的解決問題的途徑。

仿生學(xué)的典型工程化應(yīng)用

瑞弗（W.E. Reif）等人觀察到鯊魚體表存在許多規(guī)則分布的盾鱗，鱗片上存在著沿順流方向排列的V形溝槽，這種結(jié)構(gòu)有助于鯊魚在水中快速游動(dòng)。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，美國國家航空航天局（NASA）蘭利中心在1978年率先開展了鯊魚皮的仿生研究，將大量2.54mm×10.2mm的凸?fàn)钗镎迟N分布在機(jī)身表面，使機(jī)身表面阻力減少了6%～8%。此外，空客公司在試驗(yàn)中將A320試驗(yàn)機(jī)約70%的表面貼上具有溝槽結(jié)構(gòu)的薄膜，達(dá)到了節(jié)油1%～2%的效果，如圖1所示。

圖1  鯊魚皮體表溝槽形態(tài)和具有仿生表面貼膜的飛機(jī)

西日本鐵路公司在制造新一代新干線列車時(shí)，列車的運(yùn)行速度超過320km/h，但當(dāng)列車高速通過狹窄的車道時(shí)會產(chǎn)生聲爆效應(yīng)，所產(chǎn)生的噪聲超過了環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員從翠鳥的流線型鳥嘴得到啟發(fā)，對子彈車頭進(jìn)行重新改造，使其直徑逐漸增加，以便讓氣流順暢向后流動(dòng)。實(shí)踐證明這種列車的車速比起原有設(shè)計(jì)提升了10%，電力消耗降低了15%，而噪聲水平也有了顯著下降，如圖2所示。

圖2  翠鳥嘴和500系列子彈列車

吉林大學(xué)根據(jù)穿山甲鱗片的磨粒磨損具有明顯方向性的特征，研制了仿生耐磨軋輥，如圖3所示，根據(jù)蚯蚓生物體表微觀耐磨通孔結(jié)構(gòu)，研制了仿生耐磨活塞缸套，如圖4所示。

圖3  穿山甲背板形態(tài)及仿生耐磨軋輥

圖4  蚯蚓體表形態(tài)及仿生耐磨活塞缸套

仿生學(xué)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器

仿生學(xué)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上最典型的應(yīng)用就是沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器，如圖5所示。1981年，北京航空學(xué)院（現(xiàn)北京航空航天大學(xué)）的高歌教授提出了新的燃燒室火焰穩(wěn)定性準(zhǔn)則，并成功研制了沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器，提高了燃燒效率與火焰穩(wěn)定性，降低了流體阻力和振蕩損失，大幅度提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的合格率。而設(shè)計(jì)這種穩(wěn)定器的靈感正是來源于沙漠中新月形沙丘——無論風(fēng)力大小，這種沙丘依然保持其原有的月牙形狀。這種沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器既適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，又適用于工業(yè)鍋爐和船舶等。

圖5  新月形沙丘形態(tài)及沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器

仿生減阻降噪

減小阻力和降低氣動(dòng)噪聲技術(shù)是流體機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，可以為機(jī)翼、葉輪機(jī)、螺旋槳等的翼型設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

美國賓夕法尼亞州西徹斯特大學(xué)的菲施（F. E.Fish）教授通過考察飛魚的鰭和身體尺寸，研究了形態(tài)參數(shù)的變化與空氣動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)系?；诜律鷮W(xué)原理，菲施提出一種具有高升力、低阻力特性的仿生翼型設(shè)計(jì)。此外，菲施模仿座頭鯨胸鰭的前緣鋸齒狀凸起，設(shè)計(jì)出前緣具有凹凸變化的葉片，可以提高葉片的升力，這種特殊結(jié)構(gòu)也被用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6  座頭鯨胸鰭及具有凹凸變化的渦輪葉片

吉林大學(xué)孫少明博士以生物耦合特征研究為基礎(chǔ)，應(yīng)用逆向工程研究方法，量化了長耳鸮的鳥翼形態(tài)與構(gòu)形耦合消聲降噪特征，重構(gòu)了長耳鸮鳥翼三維實(shí)體模型，建立了長耳鸮鳥翼耦合降噪特征的主耦元及次主元仿生模型。并基于計(jì)算流體力學(xué)及聲學(xué)理論，進(jìn)行了仿生模型氣動(dòng)聲場有限元模擬分析，探討了長耳鸮鳥翼表面耦合消聲系統(tǒng)的降噪機(jī)理。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：耦合仿生非光滑形態(tài)及特殊翼型構(gòu)型能夠有效延緩翼型繞流場邊界層分離，并減弱翼型表面流體壓力脈動(dòng)，進(jìn)而減少聲能產(chǎn)生。根據(jù)生物耦合降噪特征，孫少明博士以標(biāo)準(zhǔn)翼型NACAOO15為基準(zhǔn)，進(jìn)行前緣非光滑改型設(shè)計(jì)，建立了耦合降噪仿生前緣非光滑形態(tài)翼型模型，如圖7所示。

圖7  基準(zhǔn)翼型與仿生翼型設(shè)計(jì)

西安交通大學(xué)的劉小民等人也開展了流體仿生減阻降噪方面的研究。他們利用逆向工程方法提取蒼鷹尾緣非光滑形態(tài)的降噪特征元素，建立了仿生葉片結(jié)構(gòu)模型，如圖8所示。采用基于馬格林斯基（Smagorinsky）亞格子應(yīng)力模型的大渦模擬，結(jié)合基于LighthiⅡ理論的FW-H方程，分別對仿生尾緣鋸齒葉片和標(biāo)準(zhǔn)葉片的流道模型進(jìn)行了三維流場及聲場的數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明：仿生尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)葉片的總A計(jì)權(quán)聲壓級比標(biāo)準(zhǔn)葉片降低了9.8dB；葉片尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以改變流場噪聲峰值的分布規(guī)律，從而降低了噪聲峰值，且大部分頻率范圍內(nèi)的氣動(dòng)噪聲均有所降低；仿生尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以改變各截面尾跡渦的脫落位置，從而增大了渦心之間的距離，抑制了脫落渦對尾跡流動(dòng)的擾動(dòng)，進(jìn)而減小了葉片表面的非定常壓力脈動(dòng)和尾跡渦引起的氣動(dòng)噪聲。

圖8  蒼鷹翼形態(tài)與仿生葉片鋸齒形結(jié)構(gòu)

仿生抗磨減摩

通過減小摩擦實(shí)現(xiàn)節(jié)能正成為摩擦學(xué)界面臨的越來越緊迫的任務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)摩擦的主動(dòng)控制也是摩擦學(xué)研究的終極目標(biāo)。為此，研究人員在發(fā)展減摩技術(shù)方面做出了巨大的努力且有所突破，并在基礎(chǔ)研究中努力研究摩擦產(chǎn)生的機(jī)理，力圖為減少和控制摩擦提供理論基礎(chǔ)。近年來，利用仿生摩擦學(xué)提出的表面織構(gòu)技術(shù)已成為摩擦學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并在活塞缸套、滑動(dòng)軸承、密封圈、汽缸、導(dǎo)軌等機(jī)械零部件上得到了大量的應(yīng)用（如圖9所示），起到改善表面潤滑狀態(tài)和提高抗磨減摩能力的作用。

圖9  仿生表面織構(gòu)技術(shù)應(yīng)用

早在20世紀(jì)60年代，漢密爾頓（Hamilton）等研究發(fā)現(xiàn)不規(guī)則微凸體能夠起到提高摩擦副表面潤滑膜承載能力的作用。各國學(xué)者己經(jīng)證實(shí)，摩擦副表面并非越光滑越好，具有一定粗糙度能夠存儲潤滑劑，使摩擦副表面更容易形成持續(xù)的潤滑膜，從而減少摩擦副表面間的固相接觸，達(dá)到減小摩擦磨損的目的。通過仿生織構(gòu)技術(shù)來優(yōu)化摩擦副表面的微觀幾何形貌，可改善零件的摩擦特性、降低摩擦因數(shù)、提高承載能力。這些織構(gòu)化的表面具有多重作用：表面微小織構(gòu)可以作為蓄油池，保證在擠壓的情況下，輸運(yùn)或釋放蓄含的潤滑液，使之仍然彌散在接觸區(qū)形成混合膜潤滑；表面微小織構(gòu)可以吸附磨損下來的微粒，從而抑制磨損和犁溝摩擦；當(dāng)微小織構(gòu)設(shè)計(jì)合理、密度足夠時(shí)，還可以提高表面對潤滑液的潤濕性，有利于潤滑液膜的形成；在較高的摩擦速度、充足的潤滑液條件下，表面織構(gòu)可以作為流體動(dòng)力高壓囊，產(chǎn)生流體動(dòng)力壓差，從而減小摩擦阻力。

例如，生活在新疆塔克拉瑪干沙漠的巴基斯坦沙漠蝎子能夠在流沙里自由穿梭，而體表不受到任何損傷。沙漠蝎子背板由幾丁質(zhì)材料構(gòu)成，且隨機(jī)分布著一些凸包顆粒，背板之間由節(jié)間膜連接，這些特征均能有效降低其體表的沖蝕磨損。研究人員根據(jù)沙漠蝎子特征，制備環(huán)狀、溝槽狀、微米團(tuán)簇仿生微織構(gòu)表面，如圖10所示，嵌填在微形貌中的固體潤滑劑，在摩擦過程中不斷釋放，形成均勻彌散、連續(xù)致密的自潤滑膜，實(shí)現(xiàn)表面承載、潤滑強(qiáng)化的有機(jī)統(tǒng)一，可有效改善抗高溫微動(dòng)磨損性能。

圖10  沙漠蝎子背板及仿生微織構(gòu)表面

目前，應(yīng)用在摩擦磨損領(lǐng)域的仿生微織構(gòu)表面大致可分為三種形式：一是單純微織構(gòu)表面抗磨損，研究人員在摩擦副表面制備不同形狀的仿生非光滑表面形態(tài)，探討最優(yōu)的微織構(gòu)分布方式、織構(gòu)加工距離和微織構(gòu)深度，使得摩擦副潤滑性能最強(qiáng)；二是將固體潤滑與微織構(gòu)表面相結(jié)合的織構(gòu)表面自潤技術(shù)，將固體潤滑劑通過涂或鍍等方法在織構(gòu)化表面制備固體潤滑膜，該技術(shù)不僅發(fā)揮了固體潤滑劑的良好潤滑性能，而且發(fā)揮了表面微凹坑的儲存潤滑劑和捕獲磨粒的功能，可以顯著改善摩擦副摩擦磨損性能；三是采用多種潤滑方式的微織構(gòu)復(fù)合潤滑技術(shù)，在摩擦副表面采用固體潤滑和液體潤滑復(fù)合的新型潤滑技術(shù)，即雙重潤滑系統(tǒng)，對于某些要求日益增長的領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。研究表明：相比單一的潤滑劑，將固體潤滑劑和液體潤滑劑相結(jié)合的抗摩擦性能得到顯著提高。

結(jié)束語

流體中的仿生表面減阻研究，主要以鯊魚等水生動(dòng)物為主要仿生對象，以飛行動(dòng)物為仿生對象的研究開展得很少。仿生降噪研究，主要展開的是以貓頭鷹等飛行動(dòng)物為仿生對象的非光滑邊緣形態(tài)降噪和耦合仿生邊緣降噪，同時(shí)也進(jìn)行了棱紋等仿生非光滑表面形態(tài)降噪。但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，仿生表面減阻離實(shí)際的工程應(yīng)用還有一段距離，還需要大量的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。

仿生學(xué)減摩抗磨技術(shù)依然處在基礎(chǔ)研究階段，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域尚無應(yīng)用。但根據(jù)前期的基礎(chǔ)研究成果可以看出，無論是采用單純微織構(gòu)表面抗磨損技術(shù)，還是將固體潤滑與微織構(gòu)表面相結(jié)合的織構(gòu)表面自潤技術(shù)，抑或是采用多種潤滑方式的微織構(gòu)復(fù)合潤滑技術(shù)，均可起到減摩抗磨的作用，若能應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生高溫微動(dòng)磨損的部位，如榫頭—榫槽、花鍵、軸承襯套等，必將起到重要的作用。

綜上，仿生學(xué)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用尚處在起步階段，沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器是其最典型的應(yīng)用之一，減阻降噪及減摩抗磨是具有廣闊應(yīng)用前景的兩個(gè)方向，在工程應(yīng)用方面有望取得突破。