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宇宙飞船中的仿生学

来源:UC论文网2019-04-13 09:32

摘要:

  仿生学是1960年正式诞生的一门综合性的边缘科学。它研究生物系统的结构性质、能量转换和信息传递过程,并用所获得的知识改善现有的或创造崭新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程。  载人宇宙飞船是一种能保障宇航员在太空执行航天任务并安全返回地面的航天器。科学家们在各类生物的启示下,运用仿生学原理,为宇宙飞船的设计、工作、运行、故障分析等提供了最为可靠的参考。  人眼结构的启示  人眼可以对比周围的景物...

  仿生学是1960年正式诞生的一门综合性的边缘科学。它研究生物系统的结构性质、能量转换和信息传递过程,并用所获得的知识改善现有的或创造崭新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程。


  载人宇宙飞船是一种能保障宇航员在太空执行航天任务并安全返回地面的航天器。科学家们在各类生物的启示下,运用仿生学原理,为宇宙飞船的设计、工作、运行、故障分析等提供了最为可靠的参考。


  人眼结构的启示


  人眼可以对比周围的景物,使人感知自身的运动和位置状态,确定物体的远近、形状和相对大小。科学家们由此得到启示,研制成功了一种叫做“生物――电子位置传送器”的“人造眼”。这种技术装置可以用来自动控制宇宙飞船下降阶段的制导。


  苍蝇的启示


  苍蝇的复眼包含4000个可独立成像的单眼,能看清几乎360度范围内的物体。在蝇眼的启示下,人们制成了由1300多块小透镜组成的一次可拍摄1300多张高分辨率照片的蝇眼照像机,在航天上被广泛应用。


  苍蝇能连续飞行几小时不降落,飞行时速高达20千米。它不需要滑行,能沿与地面呈30度的角度迅速起飞,可在空中急停、急转弯,垂直上升、下降,着陆动作也很轻快。科学家研究发现,原来在苍蝇翅膀后面还有一对小的翅膀一一楫翅,它像船的桨和舵一样既能控制苍蝇的飞行方向,又能控制它们的身体平衡。科学家在楫翅的启示下,制成了谐振陀螺仪,用在火箭及飞船上,大大提高了飞行器自动控制系统的性能。


  宇宙飞船上天要使用多级火箭。为了减少火箭的负担,飞船的体积很小,除了宇航员必需的工作、生活空间外,没有一点富余。在这极其有限的太空舱里除了要保证有充足的氧气外,还不能有丝毫的有毒气体,否则在密封舱内的宇航员将有性命之忧。所以,必须要在太空舱内安装高效、高灵敏度的气体分析仪,以保证宇航员的安全和科研工作的顺利进行。人们经过研究发现,苍蝇就具有高效检测气体的本领。仿生学家由此得到启发,根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能,成功仿制出一种小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属,而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上,将引导出来的神经电信号经电子线路放大后,传送到分析器;分析器一旦发现异常,便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船里,用来检测舱内气体的成分。


  马腿骨骼结构的启示


  马是陆地上奔跑速度最快、耐力最强的哺乳动物之一,它们奔跑姿态优美,轻快如飞。那么,马奔跑时轻快如飞的秘诀到底是什么呢?美国科学家拉普夫经过长达3年的研究发现,马腿骨骼的构造十分奇特,其第三掌骨上有一个毫不起眼的天然小孔,这使马腿能在奔驰中单腿承受身体重量和空气阻力带来的强大压力。


  研究小组以电脑模型为基础,制造出一块“仿生板”,作为应用于飞机或宇宙飞船材料结构的原型。他们特意在“仿生板”上做了一个小孔,孔的四周喷上聚氨酯泡沫塑料,以此来模拟马腿第三掌骨小孔周围骨的构造。科学家通过研究证明,“仿生板”具有超强的抗压能力,对于必须长期面对强大气流压力的宇宙飞船等飞行器来说具有重要的应用价值。


  蜂房构造的启示


  为了使宇宙飞船达到足够的飞行速度,运载火箭必须提供相当大的推力。飞船自身重量越轻,就越能减轻运载火箭身上的“包袱”,也就能使飞船飞得更高、更远。为减轻飞船的重量,科学家们从蜂窝的结构中得到了启发。


  蜂窝是由一些一个挨一个,排列得整整齐齐的六角小蜂房组成的。其实蜂房不是纯粹的六棱柱形,而是底部由三个菱形拼成的“尖项六棱柱形”。我国数学家华罗庚精确计算后指出:在蜜蜂身长、腰围确定情况下,尖项六棱柱形蜂房用料最省。


  于是,在制造飞船时,人们先将金属材料做成蜂房形状,然后再用两块金属板把它夹起来就成了蜂窝结构。这种结构的飞行器容量大,强度高,且自重轻,也不易传导声音和热量。因此,今天的宇宙飞船等飞行器都采用了这种蜂窝结构。


  花瓣构造的启示


  太阳帆,也被称为光帆,是使用轻质而巨大的薄膜镜片,不需要消耗能量而以太阳的辐射压作为推进动力的一种结构。在太空中运行的航天器处于失重状态,又无空气阻力,只要有少许外力,就会改变运动方向和速度,这样一来,即使面积不大的太阳帆也可能作为飞船的动力派上用场。


  但飞船在大气层升空时,若太阳帆打开,会产生巨大的阻力,而且由于摩擦生热,太阳帆的结构可能遭到破坏。航天专家从花瓣结构中得到启示:当花瓣关闭时,花瓣占用的体积最小,并且能够很好地保护花蕊;当花瓣完全开放时,其相互遮挡程度最小,让雌蕊最大程度地接受来自各方的花粉。日本宇宙航空开发机构设计出了能像花瓣一样自主开闭的太阳帆。2010年6月11日,日产的太阳帆飞船在距地球约770万千米的太空中顺利展开了边长14米的正方形帆。研究人员希望在未来,这样的太阳帆能为宇宙飞船在各种情况下提供动力。


  长颈鹿的启示


  长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈部输送到头部,是由于长颈鹿的血压很高。据测定,长颈鹿的血压比人的正常血压高出两倍。这样高的血压为什么不会使长颈鹿患脑溢血而死亡呢?这与长颈鹿身体的结构有关。首先,长颈鹿血管周围的肌肉非常发达,能压缩血管,控制血流量;同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧,利于下肢的血液向上回流。科学家由此受到启示,在训练宇航员时,让宇航员每天锻炼几小时,以防止他们血管周围的肌肉退化;在宇宙飞船升空时,科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤可控制血管压力的原理,研制出了飞行服――“抗荷服”。抗荷服上安有充气装置,随着飞船飞行速度的增高,抗荷服可以充入一定量的气体,从而对血管产生一定的压力,使宇航员的血压保持正常。同时,宇航员腹部以下部位是套入抽去空气的密封装置中的,这样可以减小宇航员腿部的血压,利于身体上部的血液向下输送。


  生物膜特征的启示


  模拟生物膜的选择透过性,反渗透技术可以用最低的成本、最短的时间、最小的功耗对大量污水进行处理,将所有杂质摒除在外,把污水转化为洁净淡水。在宇宙飞船中,反渗透设备是必不可少的,它可以把人类的汗液和排泄物中的水分进行集中处理,以供循环利用。作者: 李成云

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