模仿昆虫翅膀,能让火箭部件轻两成

发布时间 : 2018-01-25     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

  当前,研制低成本火箭已成趋势。而降低火箭成本最有效的途径,就是降低火箭的结构质量,提高有效运载能力。
  “经过亿万年的进化,动物的‘身体’拥有许多轻巧而稳固的结构,这对运载火箭以及未来新型航天飞行器的设计工作具有重要的借鉴意义。”中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”)研发中心设计师介绍,自上世纪中叶,仿生学概念正式被提出以来,各国的学者们对仿生结构材料进行了广泛而深入的研究,在仿生产品的开发上更是投入了大量的人力和物力。

△仿生盒子鱼结构汽车


  “譬如,国外在上世纪三十年代就利用铝箔制成六角型铝蜂窝芯,其方法便是仿制相关生物组织结构,这种结构材料用在飞机结构上,有效减轻了飞机重量。
  后来,有的学者通过模仿鸟的头骨,设计了轻质高强壳结构,用于对新型飞行器的结构减重,取得了良好的实际效果。
  有人发现巨嘴鸟的喙虽然质量很轻,但具有大的比刚度和比强度。在观测断面结构后,发现它是一种典型的‘三明治结构’,外部由角质层及密闭的纤维网络构成,其角质层具有高的强度和弹性模量,这对仿生轻质结构设计具有重要的意义。”

△巨嘴鸟喙结构图


  近年来,国内航空航天类高校也开始在仿生结构上发力。“有的高校开展了甲虫鞘翅生物材料微结构和材料拓扑分布规律的研究,发现甲虫鞘翅是一种具‘桥墩’状连接的轻质结构,鞘翅各纤维层间呈平行、经纬或螺旋交织的结构,材料分布具有拓扑分布规律,对新型轻质高强结构的设计具有较强的借鉴意义。”

△甲虫鞘翅断面结构形态


  “目前,我们也在利用3D打印技术和仿生结构技术,开展航天飞行器结构样件的研制工作。”研发中心设计师介绍,“通过试验,我们发现,在可承受的载荷相同时,通过模仿甲虫鞘翅设计而成的新型结构件的结构质量比传统结构轻20%以上,并且制造速度远超传统工艺,加工形状也很自由。相信在不久的将来,仿生结构技术将正式应用在我国火箭上,为开展低成本商业发射贡献力量。” 

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