給我一雙翅膀

央視國際 2004年10月14日 17:38

　　19世紀40年代，在美國一個小鎮邊的垃圾場，一個年輕人身上綁著翅膀，在朋友的幫助下試圖飛向天空。在目睹了戰爭對鳥類的傷害之後，他拒絕與人類交流，幻化的生活在鳥類的世界之中。這個故事來自於電影《鳥人》。像鳥一樣徜徉于天際，並非只是電影情節，人類自古以來就有這樣的夢想，也正因為心中有這樣一個不解的情節，人類才發明了飛機。

　　飛翔對鳥類而言是存在的本體，飛翔對人類來説是自由的象徵。如今我們都知道，人類向鳥兒學習發明了飛機。從相傳兩千多年前的漢代，有人全身粘上羽毛試圖展翅飛翔，到1903年賴特兄弟發明飛機，人類用去了將近2000年的時間。這個模倣的過程為什麼花費了如此漫長的時間，我們到底向鳥類學習了什麼？飛行的背後究竟隱藏了什麼秘密？

　　飛行的背後究竟隱藏了什麼秘密？

　　1865年，意大利文藝復興巨匠達芬在去往費所雷的路上，也在思索著這個問題。

　　“當鳥類要飛行時，便抬起翅膀承受下方飛來的風，風吹著它高飛，這是我前往費所雷時，對猛禽所做的觀察。”

　　一個物體在飛的時候，它有一個平面，它的這個平面和風，有一個速度，這個夾角如果是正的話，那麼空氣就會從這裡留下去，流下去的話，（平面）就會受到一個向上的壓力。如果説這個平面是這個方向來的話，就有一個負的夾角，風從這個方向流下去，那麼它就會受到一個向下的壓力。就好像平時我們放風箏，我們放的時候就是這樣牽著一根線，總是這個方向走，如果是這樣的，或者是平的，他這個風箏是起不來的。

　　達芬奇仔細觀察鳥類翅膀的運動，並把觀察到的鳥類攀升的路線記錄下來。他驚奇的發現，鳥類通常以兩種路線飛翔：一種永遠是弧線，像螺釘上的線條；另一種是直線和曲線。達芬奇運用自己掌握的數學知識加以分析，得出了一個激動人心的結論，那就是 鳥類是一種以數學法則運作的機器，人類有能力複製出這種機器，飛上藍天！他被這種結論鼓舞著，著手製作了撲翼機。

　　 “巨鳥將從西西瑞山起飛，並且快速攀升，到達了天際，讓全宇宙充滿驚奇。它在凡間的勝利獲得的永恒的名聲，為佛羅倫薩帶來永遠的光輝！”

　　達芬奇的朋友也相信駕著撲翼機可以成功的飛行，他避開達芬奇，偷偷地帶著撲翼機來到野外，然而在短暫的驚喜過後，他在驚恐中摔下了山崖。

　　在達芬奇之後，仍然有很多人嘗試以撲翼的方式飛上天空，但是1873 年，撲翼方案被一個叫馬雷的法國醫生終結了。因為他無意間發現了鳥類在空中飛行的撲翼動作，這個發現，即便在今天，依然也只為少數人所了解。

　　街採

　　當時，人類仰望天空，觀察鳥類的飛行，都和我們一樣認為鳥類是簡單的上下撲動翅膀的。然而這個叫馬雷的醫生用定時連續攝影，初步掌握了鳥類飛行的撲翼動作，他赫然發現，鳥類的飛行動作遠比我們的想象要複雜的多。

　　其實只要觀察一下鳥類或者昆蟲，它們的樸動姿態是很複雜的，它有上下的撲動，而且有旋向的，沿著身體方向有懸向，而且有扭轉的變形，變動，這樣才能産生升力和推力。

　　借助更先進的儀器，我們今天可以更詳盡的了解鳥類在撲翼時翅膀的變化。我們還掌握了足夠的解剖學的知識，知道鳥類之所以有力量撲動翅膀，是因為它們有佔全身肌肉總量四分之一的強大胸肌。而這种先天條件是人類所望塵莫及的。

　　醫生馬雷的發現，對人類來講，無疑是一種無情的打擊。放棄了撲翼方案的人們，還有什麼辦法可以飛上天空？所謂山重水復疑無路，柳暗花明又一村。這時，有人發現鳥類另外一種飛行方式。

　　我們經常看到飛行中的一些鳥兒，它們在空中自由的盤旋，卻不用撲動翅膀，這種飛行方式被稱為滑翔。通過模倣鳥類的滑翔，人類發明了滑翔機。如今，滑翔機被認為是最接近鳥類的飛行器。也正是這個原因，使很多人癡迷于這項運動。當人們乘著滑翔機置身於藍天時，仿佛覺得自己就是一隻自由的鳥了。

　　遠山，藍天，白雲，這種美妙的感覺真是飄飄欲仙啊。

　　至今為止，人們駕駛滑翔機滑翔的最遠距離可達2046米，然而在滑翔機剛剛問世的時候，卻只能飛行幾米，那還是1853年，第一個研製出滑翔機的是英國科學家凱利。他讓他的馬車夫在極不情願的情況下，坐著這架滑翔機飄飛過一個小山谷。這是成年人最早乘滑翔機所作的自由飛行。

　　鳥類在起飛的時候，通常要靠克服空氣的阻力來獲得升力，拍動翅膀的動力，來自鳥類的自身。而在滑翔的時候，更多的升力來自於上升氣流。每當太陽升起，空氣就會因為溫度的升高而上升，鳥兒能找到上升氣流並借此高升，因此，並不需要撲動翅膀。

　　上面有積雲，下面就有上升氣流。沒有上升氣流。水汽就不會形成積雲。一般的積雲下面起碼有三四米，甚至七八米。十來米的上升率，比飛機上升都快。我們滑翔機有的時候在氣流裏邊上升，飛機盤旋是追不上的。

　　1804年，凱利發表了第一篇關於飛行原理的論文。這篇文章認為：飛行器應該是固定翼加上動力推進而構成。這指出了人類光靠翅膀就能飛上天的願望是很難實現的。

　　凱利的貢獻就是把飛行過程中，它的一個升力，一個阻力把它分開。

　　但是滑翔機就是只有固定翼而沒有動力裝置的飛行器。因此，為了能飛上天，在起飛的時候就需就要外力牽引，而一旦升空，就可以脫離動力牽引，在空中自由的滑翔了。

　　滑翔機都有著細而長的機翼。而我們也不難發現，能夠滑翔的鳥類，也同樣長著細而長的翅膀。這又是什麼道理呢？

　　原來，鳥在空中飛翔，空氣從翅膀流過的時候，會在翅膀尖産生一個渦流，會使翅膀尖的部位産生一個力，這個離就叫做誘導阻力，使壓力變大。機翼越長， 誘導阻力佔的比例越小，所以翅膀長的鳥兒才能滑翔，翅膀短的鳥兒因為誘導阻力佔的比例越大只能撲翼。滑翔機的機翼很窄很長也是這個道理。

　　在滑翔機的發展過程中，做出最大貢獻的當屬德國科學家奧托裏林塔爾，因為他給滑翔機安了上了一對拱形的翅膀。正是這對拱形的翅膀使滑翔機飛的越來越遠成為可能。

　　1891年，他製成一架蝙蝠狀拱形滑翔機，在柏林近郊做了試飛。

　　李林塔而對於拱形的利用，靈感同樣來自於鳥類。

　　仔細觀察就會發現，鳥類的翅膀都是拱形的，而且前緣很厚，後面很薄。鳥類經過上億年的進化，進化的作用使其所有的身體條件都更加適於飛翔。鳥類的翅膀緣何保持了樣一種形態？

　　這個我們把它叫做流線型，流線型（的物體）在空中運動的時候呢，上面的（空氣）流速比較快，下面的流速比較慢，那麼下面的壓力就比上面的壓力大，下面的壓力相對少一點，那麼壓力之間的差就會産生一個升力

　　鳥兒在空中飛行的時候，會對自身的羽毛進行細微的調節，這樣就可以改變拱形翅膀的曲度，從而改變升力系數。

　　我們來看下這個圖形就會明白其中的道理了，空氣從這樣一個流線型通過，因為上面的距離比下面的距離長，所以空氣流過上面的速度就會比下面空氣的流速快，這樣上面的空氣分子就比較稀薄，那麼空氣對於下面産生的壓力就比上面大，就會産生一個向上的力，這個曲面越大，那麼曲面上下面的空氣壓力差就越大。當然這是在一定範圍內。

　　當我們乘坐飛機時，經常可以看到機翼的某些部位會有微微的變化。這個可以上下轉動的就是飛機的襟翼和副翼，襟翼和副翼的角度改變在飛機降落的時候尤為明顯。

　　當飛機降落的時候，它的速度比較慢，這個時候呢，我們是講，飛機跟速度的平方成正比的，所以為了要産生足夠大的升力那麼飛機就要吧前面的襟翼和副翼放下來，這樣機翼的翼型就比較彎，這樣升力系數就比較大，才能産生足夠大的升力。

　　李林塔而這個發現不僅改善了滑翔機的性能，而且對以後的飛機設計影響深遠。現在所有的機翼都被設計成流線型。如今，飛行員在上天之前，都要檢查襟翼和副翼是否能夠正常操縱。因為可以通過操縱襟翼和副翼來改變機翼拱面的彎曲程度，從而改變升力的大小。同樣可以通過操縱改變曲度的還有尾翼。

　　這是飛機的水平尾翼，水平尾翼提供給飛機一個縱向的平衡力。它由兩部分組成，前面這部分是安力面，這部分是升降舵。升降舵兩邊是對稱的，他們同時往上偏移或者往下偏，當它往上偏的時候，它産生一個向下的力，使飛機抬頭。當它往下偏的時候，産生一個向下的力，使飛機低頭。

　　就是通過控制這些機翼，技術嫻熟的飛行員可以像鳥一樣在空中可以進行精彩的表演。而在早期的戰爭中，飛行員也需要以此躲避對方的進攻。

　　説起戰爭，戰爭帶給了人類巨大的創傷，但是，也帶來了科學技術的進步。在賴特兄弟發明飛機後，在短短100年的時間，就能有如此迅速的發展，主要是得益於戰爭。飛機發明以後，軍方首先意識到了它的巨大威力。1908年夏天，萊特兄弟改良後的雙翼飛機試驗成功，立刻受到美國陸軍的高度重視。美國陸軍出2萬5千美元購買了他們的一架飛機。接著，許多國家的政府也都爭先恐後地撥款資助空氣動力學的研究和飛機的製造。

　　20世紀的兩次世界大戰期間，飛機被迅速投入戰爭中，而且，很快發展成為三軍的重要武器。為了更快更好的執行任務，同時也為了躲避對方炮火的攻擊，提高飛機的飛行速度成為軍方的最大追求目標。然而就在飛機速度提高的同時，問題出現了。

　　在戰爭中，許多主戰機型，經常會自己墜毀。現象表現為，先是機身劇烈抖動，然後就是機翼折斷，機毀人亡。在其後的研究中，人們發現這是空氣作用的結果，在空氣動力學中被稱為“顫振”。首先對這個現象進行研究的是英國空氣動力學家貝爾斯托。

　　當機翼飛入空中的時候，他會受到空氣的作用，往上變形，同時受到扭力，發生扭轉變形。當扭轉變形，彎曲變形如果同步的話，彎曲變形和扭轉變形會越來越大，如果這個變形頻率相同，它在幾秒鐘內就會折斷。

　　但在自然界中，許多昆蟲的撲翼頻率也很高，例如蜻蜓每秒鐘翅膀要撲動60下，但是為什麼蜻蜓不會發生顫振現象呢？研究發現，蜻蜓自己完美的解決了這個問題。在蜻蜓翅膀末端前緣有發暗的色素斑——翅痣。如果把它們切除，蜻蜓飛起來就會蕩來蕩去。原來翅痣就是蜻蜓對抗顫振的裝置。人們在解決飛機的顫振問題時並沒有研究蜻蜓的翅痣，但令人驚嘆的是，人們解決飛機顫振問題的方法和蜻蜓驚人的相似。就是在機翼前緣的翼尖，加一個配重，這樣就可以避免機翼折斷了。

　　如今，科學家在進行飛機設計的時候，都要在風洞內檢測，在不同的空氣作用下，機翼的抗顫振性能，從而確定飛機的設計方案。

　　昆蟲和鳥類都是天生的飛行專家，但是鳥類和昆蟲的飛行方式卻並不相同。

　　有一種鳥是以昆蟲的方式飛行的，那就是蜂鳥。

　　蜂鳥的體積很小，在正常情況下，它每秒鍾大約振翅25下，靠近它，我們會聽到嗡嗡的聲音，不用慢鏡頭，我們根本看不清它的振翅動作。他們的翅膀呈8字形擺動，這和昆蟲一樣。不管哪一面向上，功能都一樣卓越。拍動翅膀使空氣下沉，像旋轉的槳葉，只要改變翅膀的角度，就可以自由的向上向下，甚至向後飛行。而直升機也同樣具有這種優良的性能。

　　1939年，美籍烏克蘭人西科爾斯基製造出了第一架實用型的直升機，向軍方做了表演。在1965年美國介入越戰後，直升機得到了廣泛應用。在越戰中，貝爾製造廠的新型直升機“休易”擔負起了重任。軍隊被直升機運送到任何他們想去的地方，因為直升機可以和蜂鳥一樣，自由的前進，後退，向左，向右飛行；直升機可以垂直起飛，低空懸停。相比其他戰鬥機而言，有著更大的降落空間。更何況直升機可裝載的火力總量比二次大戰的典型戰鬥機還多，對美軍而言，直升機重於一切。

　　如今，直升機被應用到更廣泛的領域，人們對直升機的研究也越來越細微，在槳葉尖部的設計中，同樣向鳥類學習了很多東西。

　　過去的槳葉的翼尖就是這種形狀，矩形的，我們把它叫做平值的漿尖，後來為了改動它的氣動效能，那麼現在很多國家包括我們國內也做了很多漿尖的研究，那麼像這種漿尖，我們叫做後掠漿尖，相對於前面的平直漿尖有個一個角度。

　　科學家門做了各種各樣的後掠漿尖，這些漿尖的角度都和鳥類翅膀的翼尖有相似之處。回顧飛機的設計，我們會發有很多原理都能在鳥類那裏找到原型。

　　鳥兒和飛機在起飛的時候，都需要一個助跑的過程來蓄積起飛的動力。

　　在空中飛行的時候，鳥類為了減少空氣的阻力而收起它們的腳，飛機也是一樣，在進入飛行高度後，會收起起落架來減小阻力。

　　在降落的時候，鳥類會利用自己的腳來減緩下降的動勢，飛機也會放下起落架來使自身更加平穩。

　　它們的骨架都是中空的，為的是儘量減輕自身的重量。

　　經過種種努力，人類飛得越來越高遠了，但是，人類還是無法撲翼飛行。

　　但是撲翼，就是像鳥一樣飛行，無論在航空研究領域，還是對普通老百姓，都是一個誘人的幻想。所以我們開始做撲翼機。

　　在南京航空航天大學的微型飛行器研究中心，昂海松教授和它的學生在作微型撲翼機的研究。這個體長24厘米，體重30多克的小傢伙就是比一隻普通的鴿子大不了多少，和以往的飛行器相比，最大不同就是，它是拍動翅膀飛行的。在明媚的眼光下，我們看到了它飛行的身姿。它機翼的扇動動作和頻率都是向小鳥和昆蟲學習來的。

　　我們研究首先要研究鳥類的飛行線路，同時還要研究昆蟲的飛行特點。從翼的結構來説呢，昆蟲要比鳥類簡單，因為鳥類，大家知道，都是羽毛，羽毛是非常複雜的，

　　鳥類大概都有上萬支羽毛，這些羽毛的排列順序，它飛行時的打開方式都是非常複雜的。而且在不同的部位，羽毛的大小，重量，形狀都不一樣。這麼複雜的生理結構，對科學家們來説，仿製是非常困難的。相對來説仿製昆蟲就比較簡單。

　　那就是昆蟲，一般地説，撲動的頻率比較高，高達100赫茲甚至更高，100赫茲什麼概念呢？就是1秒鐘上下撲動100次，那麼這個頻率很高，那我們研製這種設備的話就要抗震，抗疲勞。對機件設計要求比較高，而鳥相對撲動頻率比較低，因此我們既倣鳥，也倣昆蟲。

　　這是以往進行飛行試驗時拍下的資料，儘管它和真正的鳥類飛行動作還有很大的區別，但是已經有鳥兒把它當作同類而共舞了。

　　讓我們看看在這個小傢伙身上安裝的攝像頭所拍下來的景象，也許在不遠的將來，它可以去我們不能到達的地方，探尋那裏的秘密。

　　從達芬奇研究撲翼機開始，至今已將近150年了，人類經歷了無數次的失敗，今天終於研究出了撲翼機。雖然這只是一個微型的飛行器，但是我們有理由相信，終究會有一天，人類可以帶著一對翅膀，像鳥兒一樣自由的撲翼飛翔。

　　達芬奇曾經寫過這樣一段話：“為什麼飛翔？因為你飛過了，你將仰望天空，那到過的地方，那回歸永恒的地方。”這也許是他想飛上天空的理由吧。雖然每個人想飛的初衷並不相同，他們嘗試飛行的結果也不相同，但是相同的是，他們都有一顆想飛的心，這才是最重要的。