雨燕翅膀的啟示

厲莉

當(dāng)著名的美國(guó)F-14“雄貓”軍用飛機(jī)在2006年退役的時(shí)候，迄至當(dāng)時(shí)最成功的“可變翼”飛機(jī)技術(shù)實(shí)驗(yàn)也跟著被擱置了下來(lái)。這種技術(shù)是人們通過(guò)觀察鳥(niǎo)類(lèi)飛行而獲得的，其設(shè)計(jì)理念是：在飛行中，飛機(jī)根據(jù)飛行速度的變化而不斷地改變機(jī)翼的形狀，以充分發(fā)揮空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)，達(dá)到最佳飛行性能。對(duì)當(dāng)時(shí)的機(jī)械師來(lái)說(shuō)，如何讓飛機(jī)的機(jī)翼能像鳥(niǎo)撲翼那樣改變形狀是一個(gè)難題。盡管“雄貓”是當(dāng)時(shí)同類(lèi)產(chǎn)品中最好的，但它在這方面還差得很遠(yuǎn)。

今天，得益于研究人員對(duì)褐雨燕在飛行中不斷變化翅膀形狀的研究，上述難題或許能夠得到解決。

褐雨燕屬于雨燕科，拉丁語(yǔ)的意思是“無(wú)腳的鳥(niǎo)”。說(shuō)它們“無(wú)腳”有點(diǎn)夸張，但褐雨燕的腳的確很少觸地，它們?cè)谝捠?、求偶甚至睡覺(jué)時(shí)都在飛行。人們觀察到，褐雨燕在飛行中很少拍打翅膀，僅僅是利用改變翅膀的幾何形狀在空中作很長(zhǎng)距離的滑行。也正因此，褐雨燕成為人們研究飛機(jī)機(jī)翼變形的最理想的生物。

雨燕的翅膀又長(zhǎng)又薄并且彎曲，在尖端逐漸縮小成一個(gè)點(diǎn)，有點(diǎn)像一把鐮刀。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，這非常類(lèi)似于人的手臂。如果你伸展開(kāi)你的兩只手臂，然后往上添加一些骨頭，再添加一些羽毛，你幾乎就擁有了一副翅膀。雨燕扇動(dòng)翅膀，就像人運(yùn)動(dòng)手臂，胸肌賦予了翅膀運(yùn)動(dòng)的能量。

事實(shí)上，骨架、羽毛和翼型是雨燕以及所有飛鳥(niǎo)飛行的關(guān)鍵。鳥(niǎo)的主要的飛羽是長(zhǎng)在翼尖的骨頭上的，而次級(jí)飛羽則是長(zhǎng)在前肢的骨頭上的。雨燕與其他鳥(niǎo)類(lèi)的不同之處在于，它們的翅膀有相對(duì)于身體比例很大的翼尖骨，這就增加了變翼的可操作性——它們可以通過(guò)迅速?gòu)澽D(zhuǎn)“手腕”來(lái)改變“手”和前肢之間的角度，從而改變翅膀的形狀和面積。

研究人員通過(guò)仔細(xì)觀察雨燕翅膀在各種速度下的形狀改變發(fā)現(xiàn)，最重要的是“手”和前肢之間的角度——當(dāng)“手腕”折起后，翅膀扇動(dòng)的有效面積瞬間就減少了30%。

研究人員還把雨燕的翅膀（取自于保護(hù)區(qū)中的死鳥(niǎo)）粘到一個(gè)精密校準(zhǔn)的儀器上，然后放在風(fēng)洞中，通過(guò)改變與氣流平行的拖曳力和與氣流垂直的升力來(lái)測(cè)量羽翼幾何尺寸是怎樣改變的。拖曳力、升力和鳥(niǎo)的自身質(zhì)量都是滑翔飛行中的重要參數(shù)。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雨燕在飛行中張開(kāi)“手腕”，伸展翅膀做直線飛行時(shí)，使用的能量最少，滑翔的時(shí)間也最長(zhǎng)、最穩(wěn)定。這時(shí)雨燕的最佳飛行速度大約是每小時(shí)30千米，盡管它在伸展翅膀時(shí)產(chǎn)生了巨大的拖曳力，但同時(shí)也提供了更大的上升力。

眾所周知，雨燕的習(xí)性是一邊飛，一邊在飛行中“歇息”。用雷達(dá)進(jìn)行的跟蹤也證實(shí)了雨燕確實(shí)是在飛行中睡覺(jué)的。它們一邊滑翔，一邊睡覺(jué)，定期扇動(dòng)一下翅膀以保持平均每小時(shí)30千米的飛行速度，并把每分鐘下降的高度減少到最低限度。換言之，它們?cè)诖蝽锏臅r(shí)候是以最小的能量滑翔飛行的。

而當(dāng)雨燕要高速飛行時(shí)，它們則迅速收起翅膀。雨燕的俗名是swifts，意思是“敏捷的、迅速的”。有記載的雨燕的最高飛行速度竟然超過(guò)每小時(shí)100千米，也難怪它們?cè)跁r(shí)速30千米時(shí)會(huì)睡著！事實(shí)證明，把翅膀收起來(lái)是節(jié)能高速巡航飛行的關(guān)鍵。換句話說(shuō)，當(dāng)在較高的速度飛行時(shí)，收起翅膀可以減少拖曳力，同時(shí)更有效地保持小角度滑行并使之在空中停留的時(shí)間最長(zhǎng)。

如果說(shuō)雨燕在低速直線飛行時(shí)要張開(kāi)翅膀，在高速直線飛行時(shí)要收起翅膀，才能夠具有最佳飛行效率，那么，拐彎飛行時(shí)應(yīng)該怎么做呢？在空戰(zhàn)中，戰(zhàn)機(jī)需要做大量的急轉(zhuǎn)彎，F(xiàn)-14“雄貓”是以張開(kāi)翅膀來(lái)增加其操作性的。張開(kāi)翅膀也是雨燕在轉(zhuǎn)彎時(shí)采用的技巧，它們需要至少每小時(shí)30千米的飛行速度。在這個(gè)速度上，雨燕用打開(kāi)翅膀轉(zhuǎn)彎，比用彎曲翅膀尖轉(zhuǎn)彎至少要快一倍。

但是，在較高速度轉(zhuǎn)彎時(shí)，在模擬風(fēng)洞中很難測(cè)量張開(kāi)翅膀和收起翅膀的相對(duì)效率。因?yàn)樵陲L(fēng)速為每小時(shí)50千米左右時(shí)，張開(kāi)的翅膀非常容易被氣動(dòng)壓力所損壞。而雨燕在高風(fēng)速的情況下飛翔時(shí)，張開(kāi)的翅膀會(huì)自然彎曲并在動(dòng)蕩的空氣中稍微扭曲，從而避免了被損壞。所以，當(dāng)雨燕捕食那些快速飛行和快速轉(zhuǎn)彎的昆蟲(chóng)時(shí)，為保持飛行的高速度，它們只需要彎曲一下翅膀尖，就輕而易舉地獲取了美餐。

人類(lèi)試圖獲得幾何形狀可變的機(jī)翼，可是最大的障礙就是鉸鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和它們所帶來(lái)的重量。現(xiàn)在設(shè)計(jì)者正在制造一種靈活、輕便像雨燕一樣大小的飛機(jī)模型，它的機(jī)翼能夠變形。如果這種模型可以按比例放大的話，那么，戰(zhàn)斗機(jī)飛行員就可以有一架快速、靈活的飛機(jī)了，它可以減慢速度，用展開(kāi)翅膀來(lái)保持固定的高度，并最大限度地延長(zhǎng)在空中飛行的時(shí)間。不過(guò)，即便這樣，飛行員也不會(huì)在空中打瞌睡。