翼龍仿生飛行的過往與前路

孟慶一??

摘要：隨著飛行器領(lǐng)域不斷發(fā)展，仿生學也被更多的囊括入相關(guān)研究內(nèi)容之中，但其中多為仿昆蟲與鳥類飛行 ，如仿昆蟲的微小飛行器，運用于海上勘察的仿海鷗飛行器。最主要的原因在于二者便于捕捉實物，這使得至今關(guān)于撲翼飛行的研究多以鳥類、昆蟲為模型。然而科學界也意識到了需拓寬思路，向更大翼展的撲翼飛行模式發(fā)起挑戰(zhàn)，翼龍仿生飛行應運而生。翼龍的研究缺少活體實物、局限于化石，所以一些學者也曾嘗試制作翼龍仿生飛行器，但均未達到完備。翼龍仿生飛行還存在較大發(fā)展空間，其暗藏的研究價值尚待開發(fā)。

關(guān)鍵詞：翼龍；仿生飛行；模型；發(fā)展

1 什么是翼龍

翼龍也稱翼手龍，生物分類如下：動物界、脊索動物門、脊椎動物亞門、爬行綱、蜥形亞綱、翼龍目、翼龍科，屬有多個，目前已知百余個品種，與恐龍同時代的爬行類動物即飛行爬行動物演化支，現(xiàn)已滅絕。

2 翼龍飛行問題

翼龍類因適應飛行演化所需，導致后輩與祖先在生理結(jié)構(gòu)層面有很高差異性。翼龍類有類似于現(xiàn)代鳥類內(nèi)部裝有空氣的中空骨頭，胸骨呈隆脊狀，這為與飛翔相關(guān)的肌肉提供了著床，加大的腦部是與飛翔相關(guān)的特化特征。部分翼龍類肩膀處的脊椎愈合為一節(jié)聯(lián)合背椎，即一種在鳥類與某些翼龍類肩膀出現(xiàn)的復合脊骨，該結(jié)構(gòu)讓其在飛行過程中身體保持堅挺，也為肩胛骨提供一個穩(wěn)定的支撐。翼龍的翼是由身體側(cè)面與四節(jié)翼指骨之間的皮膚膜衍生出的，翼膜分為前膜臂膜后膜三部分。前膜手腕連至肩膀，飛行時最先遭遇空氣。臂膜從極長的第四指開始向后延伸，但具體連至何處尚待考證。某些翼龍類具有尾膜，連于后肢之間甚至可能直至尾巴。

較現(xiàn)今的鳥類昆蟲而言，翼龍的飛行生理結(jié)構(gòu)與之有諸多相似處也有顯著的相異處。由于前者易于捕捉實物，后者僅限化石研究，這也帶來了兩個科學界的熱點問題：翼龍的頭冠是否有膜？翼龍到底能否飛行？

綜上，與常見的仿鳥類昆蟲撲翼飛行器相比，以翼龍為原型，在翼型大小規(guī)格和結(jié)構(gòu)特質(zhì)上具有很大專門性與獨立性。加之對上述兩問題以及各類翼龍研究，若想得到更加準確的結(jié)論，均需以一個完備的翼龍實體模型為基礎(chǔ)，所以翼龍仿生飛行器的研制存在很大的潛在價值。

3 關(guān)于翼龍飛行問題的觀點、成果及分歧

現(xiàn)在科學界就翼龍飛行機理方面的研究，對翼龍是否能飛持兩面態(tài)度。

3.1翼龍并非飛行高手

通常翼龍以飛行高手的形象存在于人們的印象中，但其飛行能力受限于龐大的身形和巨大的體重，起飛很困難，容易招致其他猛獸捕食，所以翼龍并非飛行高手。

翼龍身形大小各異，翼展10米的翼龍估算體重為1/4噸左右。曾有學者建立了6米翼展的計算機模型并按比例擴展為9米、12米翼展翼龍模型。借此發(fā)現(xiàn)各型號的翼龍均可憑借氣流滑翔保持飛行，且翼膜讓翼龍實現(xiàn)減速與安全著陸。雖然空中姿態(tài)以及降落達到了要求，但根據(jù)化石基本坐實翼龍翼展可達12米，通過計算機模擬結(jié)合翼龍的四足起飛方式（前肢和腿共同發(fā)力將身體推離地面起飛）得知10米以上翼展不適于地面起飛，因為此條件下需要極大的推力才能完成起飛，但翼龍?zhí)峁┑耐屏o法達標。來自University of Bristol的機械工程師Colin Palmer提到過雖然翼龍有著十分獨到的四足起飛能力，但其飛行在物理定律層面上受限于龐大的身形。

[HT5”，6K]3.2翼龍得益于滑翔技巧和撲翼結(jié)構(gòu)是當之無愧的飛行高手[HT]

研究稱翼龍可進行長途飛行，它們善于駕馭風和熱空氣的升力。預估翼龍可單次完成16000公里的飛行，等同于國際航班的飛行任務。這也意味著翼龍能在很大地理范圍內(nèi)安札落戶繁衍生息。

有人質(zhì)疑翼龍體重較大，每次扇動均消耗大量能量，無法長距離跋涉。但研究發(fā)現(xiàn)翼龍翅膀面積巨大，這讓翼龍，尤其是大型翼龍在飛行時主要是采取滑行，撲翼頻率很低，即兩次煽動之間夾帶長時間的滑行。對于起飛問題，有專家提出翼龍可通過四肢一同揮動借空氣升力來完成起飛。

4 翼龍仿生飛行器研究實例及不足

在撲翼機的研究中，國內(nèi)外較多依照昆蟲及鳥類進行設(shè)計與優(yōu)化。由于翼龍是遠古生物，研究區(qū)域大多停留在生物學領(lǐng)域，未向航空航天類學科延展。即便是生物學研究，對于翼龍的飛行性能的研究也相對較少。

在國內(nèi)，浙江大學曾設(shè)計一款以翼龍命名的飛行器，但其實質(zhì)仍是固定翼飛機，沒有撲翼上的仿生。放眼國外，最著名的關(guān)于為1985年的由航空工程師Paul MacCready受史密森尼學會委托進行的項目，最終成品為一個0.5倍大小的風神翼龍模型，但最終實驗結(jié)果并不理想，且此模型與真正的翼龍飛行模式契合度較低，如實際翼龍是用頭冠來控制方向即方向舵前置的飛行系統(tǒng)，但此模型仍模仿現(xiàn)代飛機將方向舵置于尾端，且此模型的長尾干擾了對翼龍重心分布與飛行間關(guān)系的測試。綜上，國內(nèi)外的兩次典型研究均并未達到完全意義上的契合實際。

綜合分析造成翼龍仿生飛行器研究進度較慢的原因，一是翼龍的生物性數(shù)據(jù)只能從化石上得來，并非實物，二是大部分關(guān)于翼龍飛行的研究來自古生物學家或進化學家，他們在飛行層面的一些如空氣動力學、飛行器方向的知識體系不夠完善，三是翼龍仿生飛行器的潛在價值未被大部分人發(fā)現(xiàn)。上述三點結(jié)合一些其他因素，導致了該方向研究的停滯。

5 翼龍仿生飛行器研究價值

在商業(yè)領(lǐng)域，制造翼龍仿真飛行器有著極大的商業(yè)價值，翼龍極具觀賞性，在旅游業(yè)有著大好前景，侏羅紀公園或許可以從機械層面得以實現(xiàn)。

在科研領(lǐng)域，“復活”一只翼龍使其飛行起來，將對所有有關(guān)翼龍的研究提供一種比化石觀測、計算機模擬更加直觀有效的手段。進一步來講，它也可以幫助揭示翼龍到底能飛不能飛、翼龍頭冠到底有沒有膜等問題的謎底。同時又可以加深人類對古生物的認知如古生物的飛行原理，并豐富多個學科的知識內(nèi)容，拓寬現(xiàn)有撲翼結(jié)構(gòu)的可行性，還原翼龍飛行模擬翼龍的典型結(jié)構(gòu)特征。

簡言之，翼龍仿生飛行器的研制尚未完善，它就如同一塊尚未開墾的田野，潛身其中終將有所收獲。

作者簡介：孟慶一（1995），男，漢族，山東曲阜人，本科，就讀于重慶大學。