鳥兒，人類的飛行老師

“海闊憑魚躍，天高任鳥飛”。自從地球出現(xiàn)生命的那一刻起，動(dòng)物們就在惡劣復(fù)雜的環(huán)境中生存和發(fā)展。在艱難漫長的進(jìn)化過程中，它們的形體和器官漸漸適應(yīng)了大自然的變化，具備了獨(dú)特的求生本領(lǐng)。

仿生學(xué)的歷史，就是人類向動(dòng)物求教的歷史。飛機(jī)從其誕生到廣泛應(yīng)用，就是人類不斷向鳥兒學(xué)習(xí)的過程。

千年飛翔夢

自古以來，人類就夢想著有朝一日能飛上藍(lán)天?？粗B兒在白云間自由地翱翔，祖先們是多么地向往！古希臘神話中有一個(gè)動(dòng)人的故事，一個(gè)名叫伊卡爾的勇敢少年，裝上一對蠟做的翅膀飛上了藍(lán)天。他越飛越高，結(jié)果太陽的熱力把蠟烤融了，少年不幸掉進(jìn)了愛琴海。

2300多年前，我國春秋時(shí)期著名的學(xué)者墨子，帶著一群徒弟，花了三年的時(shí)間研究鳥類飛行，結(jié)果造出了一只會(huì)飛的木鳥。木鳥飛啊飛啊，在空中盤旋了一整天。同時(shí)代的能工巧匠魯班，也曾用竹子做成一只竹鳥，試飛時(shí)竟飛了三天三夜。

相傳我國漢朝有一個(gè)勇敢的“插翼人”，為了深入敵營進(jìn)行偵察，曾在身上裝上一對大鳥的翅膀，頭上和身上插上大鳥的羽毛，結(jié)果他在空中滑翔了幾百米遠(yuǎn)。據(jù)史書記載，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家張衡曾制作出一只很精致的木鳥，木鳥的身上有羽毛，鳥肚子有機(jī)關(guān)，能飛好幾里路。

在國外，2000多年前的希臘人阿奇太發(fā)明過機(jī)械鴿子。15世紀(jì)時(shí)，德國人米勒制造出“鐵蒼蠅”和“機(jī)械鷹”，也都飛上了天。

歷史上有確切記載的第一個(gè)仿鳥飛行機(jī)模型，是15世紀(jì)意大利畫家和工程師達(dá)·芬奇設(shè)計(jì)出來的。他對鳥類、蝙蝠的飛行進(jìn)行了長時(shí)間的觀察，設(shè)計(jì)出一架撲翼機(jī)，靠人用腳蹬的方式來撲動(dòng)雙翼飛行。不過，這個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)只停留在圖紙上，并沒有施工，后來證明也是行不通的。

17世紀(jì)中期，法國有個(gè)名叫居尼埃的鎖匠，制造了一個(gè)飛行十字架。他在肩上放著兩根桿子，桿子頭上各裝上一對長方形的活動(dòng)翼，桿頭向上擺動(dòng)時(shí)，活動(dòng)翼收攏，向下擺動(dòng)時(shí)，活動(dòng)翼展開。居尼埃奮力擺動(dòng)兩根桿子，企圖升上天，結(jié)果還是失敗了。

鳥有翅膀能飛，人插上翅膀?yàn)槭裁达w不起來呢？

經(jīng)過長期研究，人們終于了解到，鳥類能飛，不光是因?yàn)橛谐岚?，還在于它們的身體結(jié)構(gòu)適應(yīng)了飛行的需要。鳥類的身體是流線型的，骨頭很輕，飛行阻力小，它的胸肌約占其體重的三分之一，是天然的發(fā)動(dòng)機(jī)。鳥類還有特別發(fā)達(dá)的大片胸骨，用來附著胸肌并作為翅膀的基座。

與鳥相比，顯然人的體形不是流線型，骨胳很重，肌肉又分散在全身各處，臂肌和胸肌并不特別發(fā)達(dá)。如果一個(gè)人想憑自身的力量飛行，至少需要15千克重的胸肌和臂肌，同時(shí)胸骨也要向外突出1米才行。即便如此，人體“肌肉發(fā)動(dòng)機(jī)”的功率，也僅僅相當(dāng)于鳥類的十分之一到四分之一，差得太遠(yuǎn)了。

要像鳥兒那樣自由地飛翔，人類只有借助于機(jī)械動(dòng)力的飛行器。

向鳥兒學(xué)習(xí)

公元1800年，英國科學(xué)家、空氣動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人之一凱利，模仿山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線型結(jié)構(gòu)。凱利還模仿鳥翅設(shè)計(jì)了一種機(jī)翼曲線，與現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)翼面曲線幾乎完全相同，對航空技術(shù)的誕生起了很大的促進(jìn)作用。

同一時(shí)期，法國生理學(xué)家馬雷，對鳥的飛行進(jìn)行了仔細(xì)的研究，他的著作《動(dòng)物的機(jī)器》一書中，介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關(guān)系。

德國人亥姆霍茲也從研究飛行動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)飛行動(dòng)物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。

大約100多年以前，美國有倆兄弟立志要發(fā)明載人的飛行器，他們是威爾伯·萊特和奧維爾·萊特。兄弟倆經(jīng)常到郊外去，連續(xù)幾小時(shí)仰臥在地上，仔細(xì)觀察老鷹的升降和盤旋。在家里，他們就一起閱讀有關(guān)飛行的書籍。

在這些書籍中，法國生理學(xué)家馬雷寫的《動(dòng)物的機(jī)器》，成了萊特兄弟的經(jīng)典，英國科學(xué)家凱利的理論對兄弟倆也很有啟發(fā)。

萊特兄弟經(jīng)常因鉆研這些飛行理論而廢寢忘餐。當(dāng)時(shí)，歐美已有少數(shù)人在致力于飛行器的制造，但都沒有成功。萊特兄弟汲取前人的失敗教訓(xùn)，運(yùn)用仿生的原理，用帆布、輕質(zhì)木材和一臺(tái)12千瓦的汽油內(nèi)燃機(jī)，制成了一架簡陋的螺旋槳飛機(jī)。兄弟倆把它命名為“飛行者一號(hào)”。

1903年12月17日上午10時(shí)35分，弟弟奧維爾駕駛“飛行者一號(hào)”，在哥哥威爾伯和親友的歡呼聲中起飛了。在馬達(dá)的轟鳴聲中，“飛行者一號(hào)”飛行了40米，在空中逗留了12秒。

這是多么值得紀(jì)念的12秒——它宣告了人類歷史上第一次載人飛行獲得了成功。人類在天空飛翔的夢想終于實(shí)現(xiàn)了！

“飛行者一號(hào)”的上天，是仿生學(xué)的巨大成功。一個(gè)多世紀(jì)過去了，當(dāng)今天的人們乘坐飛機(jī)遨游藍(lán)天的時(shí)候，不會(huì)忘記那些追夢的先驅(qū)們者們，當(dāng)然，也不會(huì)忘記我們的啟蒙老師——飛鳥。

永遠(yuǎn)的老師

今天的航空設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域，雖然采用了大量先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，但人類還是離不開鳥類給我們的幫助。這些在大自然中經(jīng)過無數(shù)次嘗試與檢驗(yàn)洗禮的“設(shè)計(jì)”，仍是激發(fā)我們創(chuàng)意的巨大源泉。

機(jī)翼表面與海鳥——海鳥可以通過喙部察覺出空氣中的陣風(fēng)荷載量，并通過調(diào)節(jié)翅膀的形狀抑制升力。運(yùn)用此原理，新型的空客A350-XWB通過安裝在機(jī)頭的探測器，可以檢測風(fēng)力并利用其可移動(dòng)的機(jī)翼表面提高飛行效率。此設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步節(jié)能減排。

翼尖小翼與鷹隼——飛機(jī)在飛行中由于上下壓差的不同，翼尖附近機(jī)翼下表面空氣會(huì)繞流到上表面，形成翼尖渦，致使翼尖附近區(qū)域機(jī)翼上下表面的壓差降低，從而導(dǎo)致這一區(qū)域產(chǎn)生的升力降低。這是產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力的根源。人們通過長期觀察自然界大型鳥類，比如鷹和隼，發(fā)現(xiàn)它們在飛行中展開翅膀向上偏折翅尖羽毛以減小阻力，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離滑翔。受此啟發(fā)，有專家提出在翼尖加裝短板來減小誘導(dǎo)阻力。后來，設(shè)計(jì)師們不斷研究，發(fā)明了翼尖小翼，并將其安裝在運(yùn)輸飛機(jī)上，以減小飛機(jī)的阻力。

列陣飛行與大雁——在自然界中，大雁遷徙時(shí)會(huì)列陣集體飛行以節(jié)省能量并增加飛行距離。列陣飛行時(shí)，領(lǐng)頭雁的翅膀會(huì)產(chǎn)生漩渦狀氣流，其后的雁就會(huì)因此得到額外的升力，也就是說會(huì)省力。機(jī)翼也可以有同樣的效果，稱之為“尾渦”。軍用飛機(jī)經(jīng)常采用大雁列陣飛行的方式減少能耗。目前，客運(yùn)噴氣式飛機(jī)出于安全考慮，還沒有使用這種方法。

氣動(dòng)噪聲與貓頭鷹——經(jīng)歷了2000萬年的進(jìn)化，如今，貓頭鷹已擁有鋸齒狀的翅羽以及絨毛狀的腿部羽毛。這可以幫助它們最大限度地減少氣動(dòng)噪聲。盡管相比于40年前的飛機(jī)，現(xiàn)代飛機(jī)的噪聲已經(jīng)降低了75%，空客工程師仍希望通過進(jìn)一步的研究，揭示貓頭鷹靜音飛翔的奧秘。新的創(chuàng)意包括：模仿貓頭鷹羽毛后緣的可伸縮式刷子邊緣，以及天鵝絨般的起落架涂層。