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航天仿生,谁与争锋?

创作时间:
作者:
@小白创作中心

航天仿生,谁与争锋?

引用
1
来源
1.
https://www.fx361.com/page/2025/0303/25780469.shtml

仿生学是现代科技与自然智慧的完美结合,它将生物的精妙结构和卓越功能融入工程设计,为人类带来了许多创新突破。在航天领域,仿生学更是发挥着重要作用,从材料选择到系统设计,都闪耀着大自然的智慧光芒。让我们一起探索这些来自宇宙的奇妙设计吧!

对航天器来说,材料的选择和结构的设计有举足轻重的作用。现代航天器变得越来越轻巧、坚固、耐用,这与仿生学在航天领域的应用有密不可分的关系。自然界中,上至飞鸟,下至鱼虫,都是被航天科学家广泛研究的对象。在经历了自然环境的变化后,生物的外形和结构进化到最优形态,每个物种都有自己生存的独门绝技。而这些生物的功能比人造机械更优越、更灵活,为航天器设计带来了新的思路。现代航天有哪些巧妙的设计与仿生学相关呢?让我们一起来看看吧!

蜂巢结构

相信大家对蜜蜂的巢穴都不陌生,它是蜂群生活和繁育后代的住所。但是你知道吗?蜂巢也是自然中的建筑奇迹。它由六角柱体蜂室紧密、交错排列组成,蜜蜂的小房子内的所有钝角都为109°28',锐角都为70°32'。如此完美的六边形建筑体,不禁令人赞叹,难道蜂群中也有数学家?

科学家们研究发现,蜂巢由蜂蜡制成,工蜂需要吸食6~8千克的蜂蜜,才能生产出1 千克的蜂蜡。面对如此巨大的工程量,“打工蜂”选择了耗材最少、最省力气的方式——以正六边形搭建蜂室。而且这样的搭建方式,使蜂室的每一面都均匀受力,稳定性极强。

在人造卫星、探测器等航天器的设计中,蜂巢状结构可是个“香饽饽”。比如在詹姆斯· 韦布空间望远镜中,主镜片的设计就采用了蜂巢状。主镜片直径长达6.5 米,要制造这么大的一体式镜片难度极高,所以科学家采用了蜂巢状的设计,用18 个六边形子镜拼接成主镜。这不仅能够均匀分布镜面的应力和压力,减少由于温差和变形带来的光学误差,还能够提升望远镜的整体性能。


詹姆斯·韦布空间望远镜


神舟十号返回舱(图源:冬天的一锅)


神舟十号返回舱的“防热衣”

此外,带有气泡的蜂巢材料重量轻,隔音、隔热性强。人们将这一发现运用到航天器的隔热材料中。以载人飞船的返回舱为例,返回舱以每秒7.5 千米的速度冲回地球,需要承受高温、高压、强冲刷。仔细观察神舟系列返回舱的“防热衣”,你可以看到一层蜂窝状的轻金属结构,结构内填充了低密度烧蚀材料。这种防热材料可承受2000°C 的高温。在高温作用下,它能产生一系列吸热反应,带走热量,保证航天员及舱内载荷的安全。

苍蝇与导航仪

缺少定位坐标,在没有导航的情况下,航天器在宇宙中偏离了航向怎么办?你可能很难想象,科学家从一只小小苍蝇的身上找到了问题的答案。

苍蝇的翅膀后方有一对“小棒槌”,也就是楫(jí)翅,每秒的振动频率高达300 次。这对“小棒槌”看似不起眼儿,却赋予了苍蝇高超的飞行和平衡能力,使它可以快速起飞、下降、调头和悬停。在飞行时,苍蝇通过振动楫翅来感知身体的旋转,一旦身体发生倾斜或偏离航向,大脑接受并分析出“不对”的信号后,便能向身体相关部位发出纠正指令。即使在不飞行的时候,苍蝇的楫翅也会保持有规律的振动。科学家推测,这是为了苍蝇保持身体的平衡状态,当危险来临时,帮助它们尽快起飞逃走。

科学家从苍蝇的身体结构和飞行方式中得到了启发,发明了新型的振动陀螺仪,并把它应用于飞机和航天器的导航系统中。与传统陀螺仪依靠旋转元件的惯性来导航有所不同,振动陀螺仪内部的元件像苍蝇振动楫翅一样。当航天器偏离航向时,陀螺仪在旋转运动的作用下产生位移,位移的程度和旋转角速度成正比。依此可以计算出航天器的飞行状态,从而实现精确的姿态调整和导航,保障正确的运行轨迹。


苍蝇


振动陀螺仪的元件设计能缩小到微型尺度,除了在高精尖的航天领域,还可以将它轻松集成到手机、无人机等小型便携设备中,因此振动陀螺仪在消费产品及工业应用中颇受欢迎。

蝴蝶与温控系统

航天器在太空中飞行时,除了要解决导航定位的问题,还需要克服巨大的温差——航天器向阳面和向阴面的温差可高达300°C。为了保证航天员的安全和仪器设备的正常运转,需要一套精细、智能的系统使舱内保持适宜的温度。你肯定也没想到,蝴蝶是温控系统的“鼻祖”!

如果你抓过蝴蝶,就会知道抓它手上会沾上一层细细的粉末。这些粉末其实是蝴蝶的“鳞片”,成千上万的细小鳞片就像屋顶上的瓦片一样,整齐排列在蝴蝶的翅膀上。但你知道吗?鳞片不仅能给蝴蝶翅膀带来特别的色彩和光泽,还充当了“智能温控系统”的角色。当蝴蝶感知到外界气温上升时,细小的鳞片就会自动张开,减小阳光的辐射角度,降低翅膀对阳光热能的吸收;而当周围的气温下降时,鳞片会闭合起来,使阳光能够直射体表,从而增强翅膀对热能的吸收。

在发现了蝴蝶调节自身温度的秘密之后,科学家依据这个原理发明了“百叶窗温控系统”,并将其运用到了卫星上。在百叶窗的转动部位安装一种对温度极为敏感的金属丝,利用金属热胀冷缩的特性,带动叶片翻转,控制辐射散热量。卫星在阳光面飞行温度过高时,金属丝受热膨胀,叶片就会打开到一定角度排散热量,降低卫星温度;温度过低时,叶片就会闭合,抑制卫星散热,从而有效为设备保温。这相当于给卫星安上了“智能空调”。靠着这种自动调节温度的自我保护装置,卫星的使用寿命就可以大大增加了。


能调节温度的卫星金色“外衣”(图源:银河航天)

龙虾眼与探测仪器

天文望远镜是观测天体、捕捉天体信息的主要工具。天文学家一直注重研究宇宙中的X 射线,它揭示了宇宙中的极端物理现象,对于理解宇宙的形成和演进起到了关键作用。但是X 射线的发生难以预测、转瞬即逝,传统的望远镜起不了作用。如何才能更及时、有效地捕捉到X 射线的迹象呢?科学家从龙虾身上找到了灵感。

你知道龙虾的眼睛跟其他动物有什么不同吗?龙虾的眼睛由很多个方形管道组成,乍一看,像是有无数只小眼睛紧密排列在一起。在成像原理方面,大部分动物的眼睛与人眼相似,通过晶状体折射光线成像,而龙虾是通过反射光线来感知环境,不同方向的光线经过方形小眼的管道壁内反射,最终汇聚到龙虾眼的视网膜上。这种结构使得龙虾从多个角度收集光线聚焦成单个图像,大大扩展了龙虾的视野范围。


广角X射线望远镜的成像原理


龙虾的眼睛


爱因斯坦探针卫星

我国科研人员从中受到启发,钻研“龙虾眼”X 射线成像技术多年,最终打造出了广角X 射线望远镜,并将它应用于爱因斯坦探针卫星上。据研发团队介绍,常规的X射线聚焦望远镜视野范围大概是从地球上看一个月亮那么大的天区,而爱因斯坦探针卫星的视场能覆盖约一万个月亮那么大的天区。有了“龙虾眼”望远技术的加持,爱因斯坦探针卫星可以对软X 射线波段进行大视场、高灵敏度、快速的时域巡天监测。

在科技的助力下,人类能够上天下海,生产的机械装备看起来无所不能,但和大自然的智慧相比还是“小巫见大巫”。尤其是在系统的集成度和智能化程度上,人造的机械系统还是远远低于生物系统。如何利用简单有限的材料,形成高效、自修复的复杂生命个体,我们还需要不断向大自然虚心求教。从航天服和航天器的材料、设计到控制系统,仿生学不仅在造型和硬件研发方面为人们提供新的思路,在如何调动设备与外界交互上也带来启发。随着仿生学在航天各领域的应用创新,相信我们在未来能够研发出既实用又节能环保的可持续仿生系统。

知识链接

仿生学是一门既古老又年轻的科学。古时候,人们就参照动植物的模样,打造各式各样的器皿和物件。据记载,西汉时期,王莽手下就有一位“特种兵”,曾仿照鸟翼制作飞行工具。虽说飞行效果并不理想,但也算是仿生飞行技术的实践者了。古代科学还不发达,古人仅仅模仿了生物的外观,并没有很好地从它们的运动规律中提炼出科学原理并加以利用。现代“ 仿生学”的概念是由美国学者斯蒂尔在1960 年正式提出的,仿生学更注重研究生物的结构、功能和行为,并运用到工程建设中,更多的是解决系统的信息感知、信息传递、自动控制等方面的难题。

爱因斯坦探针卫星是中国科学院牵头研制的一颗空间科学卫星, 于2024 年1 月发射升空,主要用于观测宇宙中的剧烈爆发现象,捕捉转瞬即逝的宇宙“焰火”。因为主要科学目标涉及黑洞、引力波等爱因斯坦相对论的重要科学预言,所以取名为“爱因斯坦探针”。

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