1簡介

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　在動物世界中有許多種類的動物具有飛行能力，其中以鳥類為最。飛機(jī)的發(fā)明在許多方面受到鳥的啟示。

2飛行動物類群

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　在動物進(jìn)化發(fā)展的過程中，昆蟲是最先獲得飛行能力的。在脊椎動物方面，中生代的翼龍是著名的能飛行的爬行動物，但已于6800萬年前絕滅。飛蜥、鼯鼠等都具有不同程度的滑翔能力。鳥類和哺乳動物中的蝙蝠是獲得完善飛行能力的高等脊椎動物類群。

　　動物軀體的結(jié)構(gòu)在適應(yīng)飛行的過程中發(fā)生過顯著的變化。就飛行動物的主要飛行器官──翼的結(jié)構(gòu)來說，也表現(xiàn)出從簡單到復(fù)雜，從低等到高等這一發(fā)展歷程。一些作短距離滑翔的動物還沒有形成真正的翼，僅是軀體的某些部分變形成為寬闊的膜狀物，借以在空氣中支撐體重，進(jìn)行滑翔。例如：飛魚的“翅膀”實(shí)為發(fā)達(dá)的胸鰭，借尾鰭劇烈擺動擊水而沖入空中，靠胸鰭的快速擺動可在18秒內(nèi)貼水面滑行100～150米；飛蛙的前后趾間生有寬大的膜蹼，攀爬樹端跳躍時靠腳蹼滑翔數(shù)十米；飛蜥的體側(cè)皮膚擴(kuò)張成翼膜并與四肢連接，可滑翔60～70米的距離。昆蟲、鳥類和蝙蝠是具有撲翼飛行能力的動物，在進(jìn)化過程中以不同的途徑獲得了飛行器官，昆蟲的翅膀生于第2與第3胸節(jié)背方，由1或2對有彈性的翼膜構(gòu)成，鳥與蝙蝠的翼則由前肢演變而來。蝙蝠前肢的指骨特別長，整個指骨、肱骨、后肢和尾骨間均覆有薄而柔韌的皮膚膜，借前肢運(yùn)動揮動皮膜而實(shí)現(xiàn)飛行。

3鳥翼的構(gòu)造和功能

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 　鳥翼 （圖1）是適應(yīng)飛行的主要器官，鳥翼的骨骼薄而輕，并有充氣現(xiàn)象。很多骨骼為適應(yīng)飛行生活而并合和消失。這特別表現(xiàn)在前肢變形方面：手骨（腕骨、掌骨和指骨）簡化而并合，前肢僅能在一個平面上做折翅和張翅的關(guān)節(jié)運(yùn)動，因而有利于在胸肌支配下形成一個有力的抗擊空氣的整體。翅上著生的毛羽是翼的重要組成部分，其中在手骨上著生的稱為初級飛羽，在前臂上著生的稱為次級飛羽。它們在扇翅時產(chǎn)生不同的力。前者產(chǎn)生推力，后者產(chǎn)生升力。此外,在鳥翼的翼角（腕部）生有一小簇羽毛,也對飛行的控制起重要作用。每一支飛羽都由羽軸和羽片構(gòu)成。羽軸的基部深入皮膚內(nèi)，羽片由羽軸兩側(cè)平行伸出的很多羽枝構(gòu)成。每一羽枝兩側(cè)密生成排的羽小枝，上有鉤突，彼此鉤連，因而構(gòu)成堅韌而富有彈性的羽片。飛羽的結(jié)構(gòu)對鳥類飛行的適應(yīng)還表現(xiàn)在每一羽的外羽片狹窄，內(nèi)羽片寬闊，各羽從外向內(nèi)逐次覆蓋。羽軸在氣流作用下還略有旋轉(zhuǎn)能力，因而當(dāng)鳥類撲翼飛行時飛羽之間隨揚(yáng)翅而出現(xiàn)裂隙，便于空氣通過，而在扇翅時各羽連合成嚴(yán)實(shí)的翼面以獲得最大的動量。整個鳥翼的背部為弧面，空氣流過時能產(chǎn)生大的升阻比，有利于飛翔。

　　鳥翼是一種輕巧的可變翼，它既有機(jī)翼那樣的飛行表面，又因翅尖（初級飛羽）向下、向前扇擊而有推進(jìn)器的功能，借不斷改變翼的形狀和大?。ㄘ?fù)載面積）以及翼與軀體間的相對位置而適應(yīng)各種條件下空氣動力學(xué)的需要。鳥類的尾翼寬而堅韌，張開時狀如團(tuán)扇，在飛行中起舵的作用，有助于著陸轉(zhuǎn)身和減速。各飛羽末端之間的裂隙和氣流作用下的彈性變形，也能使氣流趨于平緩。鳥類飛行時的翼梢渦流可產(chǎn)生阻力，是由翅下方來的向外氣流與翅上方來的向內(nèi)氣流所構(gòu)成的旋渦引起的。加長翼的長度可以減少這種渦流，能分隔開翼端的渦流干擾。因此長而狹的翼比短而寬的翼飛行更為有效，但機(jī)動性差。展弦比大的升阻比值也高，善于翱翔的大型海鳥信天翁，展弦比為25，海鷗和雨燕為11，烏鴉為6，麻雀為5。翼負(fù)載（體重與翼面積的比值）對鳥類飛行也有重要的作用，快速飛行的鳥類大多具有較小的翼和較快的扇翅頻率，而翼面積較大的鳥類則能較緩慢地?fù)湟盹w行。這是因?yàn)樯妥枇Χ寂c翼面積和速度平方的乘積成正比,所以大型鳥類一般翼負(fù)載較大,例如天鵝為200帕（20公斤力/米2）,野鴨為100帕,烏鴉為30帕。

4基本類型

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 　飛行動物的結(jié)構(gòu)和功能盡管千差萬別，但飛行的基本類型可分為三類，即滑翔、翱翔和撲翼飛行。

　　滑翔 　從某一高度向下方飄行。滑翔得以持續(xù)的條件是:體重/速度=移動距離/失高。升力與阻力的比值越高和滑翔角度越小時，下沉也越慢，因而有較遠(yuǎn)的水平滑翔距離。飛魚、飛蛙、飛蜥和鼯鼠等的飛行就屬于這種類型。鳥類的撲翼飛行也常伴以滑翔，特別是在著陸之前。

　　翱翔 　從氣流中獲得能量的一種飛行方式，也是不消耗肌肉收縮能量的一種飛行方式，一般分為靜態(tài)翱翔和動態(tài)翱翔兩類。前者利用上升的熱氣流或障礙物（例如山、森林）處產(chǎn)生的上升氣流。蝴蝶、蜻蜓和一些鳥類(例如鷹和烏鴉等)能利用這種垂直動量及能量產(chǎn)生的推力和升力。動態(tài)翱翔利用隨時間或高度不斷變化的水平風(fēng)速產(chǎn)生的水平動氣流。許多大型海鳥（例如信天翁和海鷗）普遍采用這種飛行方式。風(fēng)吹經(jīng)海面時，越接近海面越因摩擦而受阻，因而在約45米高的氣層中產(chǎn)生許多切層，其風(fēng)速從最低處的零達(dá)到頂層的最高速。海鳥利用這種動量在氣流中盤旋升降，不需要撲翼即可終日翱翔。

　　撲翼飛行 　借發(fā)達(dá)的肌群撲動雙翼而產(chǎn)生能量，是飛行動物最基本的飛行方式。昆蟲、蝙蝠和鳥類多作撲翼飛行。它們沿水平路線飛行時，翅膀向前下方揮動產(chǎn)生升力和推力，當(dāng)推力超過阻力和升力等于體重時就能保持繼續(xù)向前的速度。昆蟲在揚(yáng)翅和扇翅時都能產(chǎn)生升力和推力，這是因?yàn)樗鼈冊趽P(yáng)翅時翼呈“8”字轉(zhuǎn)動,借翼上表面轉(zhuǎn)向后下方擊動空氣獲得推力。鳥類在正常飛行中揚(yáng)翅時不產(chǎn)生推力，而是靠前一次扇動時產(chǎn)生的水平動量向前沖，內(nèi)翼（次級飛羽）則產(chǎn)生升力。鳥類翅膀的形狀、翼幅、負(fù)載、翼面弧度、后掠角以及飛翔的位置，均隨每一扇翅而發(fā)生顯著變化。撲翼頻率和幅度也隨翼的連結(jié)角和飛行速度而改變。鳥類撲翼飛行的空氣動力學(xué)機(jī)理至今尚未得到充分解釋。一般說來，在扇翅時翅尖向前向下產(chǎn)生推力，而內(nèi)翅(次級飛羽)仍起機(jī)翼作用產(chǎn)生升力。翅尖具有大的連結(jié)角，不具備韌性就會失速。扇翅時翅尖的力能使每一根初級飛羽轉(zhuǎn)動，后緣在氣流壓力下向上彎，每一羽毛如同一螺旋槳那樣產(chǎn)生推力。當(dāng)產(chǎn)生的推力大于總的阻力時，鳥的飛行就獲得加速（圖2）。

5人類撲翼飛行

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 　人類飛行最早曾受到動物，特別是鳥類飛行的啟發(fā)。飛行的第一步嘗試是單純模仿鳥飛的飛人試驗(yàn)。據(jù)文獻(xiàn)記載，中國最早的飛人試驗(yàn)（見中國古代飛行技藝）是在西漢王莽時代(公元23～25年)。中世紀(jì)后在歐洲作類似嘗試者也不乏其人。古代飛人試驗(yàn)一般是把大鳥羽翼綁在人體上，靠重力從高處滑翔而下，結(jié)果往往失敗，最理想的也只能作短距離飄落，根本無法操縱。人們經(jīng)若干年代的反復(fù)試驗(yàn)后終于認(rèn)識到，這種將鳥翅強(qiáng)加于人體的做法并不能使人升空，必須制造出更大的機(jī)器才能把人送上天空。 16世紀(jì)初， 意大利的達(dá)·芬奇曾將物理學(xué)和解剖學(xué)知識應(yīng)用于鳥的研究，作了大量有關(guān)撲翼飛行的筆記并繪制了草圖。他的撲翼方案是人體俯臥在飛行器上，靠劃動兩根裝有鳥羽的槳而飛行。這種設(shè)計并不合理，是對鳥類飛行機(jī)理的誤解，但人們認(rèn)為撲翼飛行能在短時間內(nèi)提供巨大升力，是理想中的最佳飛行方式。因此在相當(dāng)長的時間內(nèi)，它成為飛行器探索者的主要研究對象。然而，揭開鳥類飛行秘密不僅是飛行器探索者孜孜以求的事，也是生物學(xué)家和生理學(xué)家熱衷研究的課題。撲翼器械實(shí)際上是飛人的延伸。鳥的骨骼強(qiáng)而輕，其胸肌之發(fā)達(dá)，心臟搏動和新陳代謝之迅速遠(yuǎn)非人所能及。試驗(yàn)證明，一個體格健壯的運(yùn)動員即使作最大努力，也只能在極短時間內(nèi)（約 0.1秒）發(fā)出1.47千瓦（2馬力）的功率。因此,人力或撲翼機(jī)之不現(xiàn)實(shí)性已很顯然。

　　經(jīng)過長期反復(fù)實(shí)踐，人類終于摸索出幾條通往天空的道路：①根據(jù)熱空氣氣球原理而發(fā)明輕于空氣的飛行器；②靠旋轉(zhuǎn)面而直升飛行；③靠固定的翼面產(chǎn)生升力。第一種屬于輕于空氣的飛行器（見氣球、飛艇）。第二種來自某些飛行技藝(如竹蜻蜓)和昆蟲飛行的啟示。第三種除受風(fēng)箏等面狀物的啟示外，主要是向鳥類和其他飛行動物學(xué)習(xí)。因此，早期的飛行器探索者大多借鑒于會飛的動物。人在空中遇到的問題和鳥在空中遇到的問題相同，解決的辦法也同樣巧妙，飛機(jī)的各主要部件都能在鳥身上找到對應(yīng)的部分。在世界航空史上被公認(rèn)為最早科學(xué)地解釋鳥翼運(yùn)動的是英國的G.凱利。他不但首先將鳥的上升和推進(jìn)兩種功能從概念上區(qū)分開來，還模仿鳥的軀體勾畫出現(xiàn)代飛機(jī)的輪廓。然而，要真正實(shí)現(xiàn)動力飛行，遠(yuǎn)非單純模仿動物飛行所能完成，必須作到最大動力與最小重量的完滿結(jié)合，進(jìn)而作到合理的外形與良好的穩(wěn)定操縱相一致（圖3）。

6定翼飛行器的探索

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　19世紀(jì)70年代以后，人們逐漸把注意力集中到定翼飛行器的研制，飛行探索進(jìn)入定翼飛行器研究階段。首先面臨升力面的合理選擇問題。解決的途徑有二：一是對鳥翼構(gòu)造及其滑翔規(guī)律進(jìn)行考查；二是對風(fēng)箏等升力面的空氣動力特性進(jìn)行探討。然后將從兩方面得來的知識付諸實(shí)驗(yàn)。鳥翼是天然有效的升力面，定翼飛行器研制者們紛紛仿制鳥翼并在飛行實(shí)踐中檢驗(yàn)。鳥的弓形曲面翼幾乎成為早期定翼飛行器的標(biāo)準(zhǔn)翼型。而空氣動力學(xué)家們也大力從事這方面的研究和實(shí)驗(yàn)。英國空氣動力學(xué)家H.菲利普斯通過原始的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)繪制出一些曲面翼型。美國航空先驅(qū)S.P.蘭利曾將鳥翼掛在旋轉(zhuǎn)臂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。人們力圖通過這些研究和實(shí)驗(yàn)找出適合現(xiàn)代飛行器使用的翼型，后來又通過對鳥翼的系統(tǒng)研究獲得有用的空氣動力學(xué)知識，從而擺脫了對鳥翼的單純模仿。但是人們對鳥類飛行秘密的探索并未終止，空氣動力學(xué)家Н.Е.茹科夫斯基、滑翔大師O.李林達(dá)爾、飛機(jī)發(fā)明人萊特兄弟,都對鳥類作過研究。論述鳥類飛行的著作也不斷出現(xiàn)，茹科夫斯基的《論鳥的飛翔》第一次分析了飛行動力學(xué)。還有一些人則從仿生學(xué)角度出發(fā)，直接從飛行動物中尋找范本。19世紀(jì)50年代出現(xiàn)的大型滑翔機(jī)就是模仿信天翁等大翼展海鳥的形態(tài)設(shè)計成的。李林達(dá)爾在進(jìn)行大量滑翔試驗(yàn)的同時，也曾對鳥的飛行進(jìn)行過系統(tǒng)研究。他的《鳥的飛行──航空的基礎(chǔ)》等著作為后來的飛機(jī)研制者提供了寶貴的資料。

7鳥與飛機(jī)

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 　飛機(jī)飛行與鳥類飛行有異曲同工之妙。鳥的飛行技術(shù)為飛機(jī)所沿襲和發(fā)展。把鷹和飛機(jī)來比較，兩者都有相似完整的一套改善空氣動力性能的裝置：①小羽翼和前緣縫翼。鷹鼓翼時使翼的連結(jié)角增大而增大升力，而翼角的小羽翼與翼體之間構(gòu)成的縫隙則使氣流緊貼翼的背面流過，防止湍流發(fā)生。飛機(jī)機(jī)翼的前緣縫翼在起落和大迎角飛行時張開，使下翼面的高壓氣流經(jīng)翼縫流到上翼面，吹除附面層中的紊流，提高臨界迎角并防止失速。②開縫翼尖和翼梢小翼。鷹外翼的開縫翼尖實(shí)為一單獨(dú)小翼，起降低翼尖尾渦強(qiáng)度的作用；飛機(jī)則為減弱翼尖渦流強(qiáng)度和誘導(dǎo)阻力而設(shè)置翼梢小翼。③襟翼。鷹的內(nèi)翼前緣在飛行中下垂，使翼的彎度增加以提高升力，而飛機(jī)的前緣襟翼為相同目的而設(shè)置。