1簡(jiǎn)介

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

2飛行動(dòng)物類(lèi)群

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　在動(dòng)物進(jìn)化發(fā)展的過(guò)程中，昆蟲(chóng)是最先獲得飛行能力的。在脊椎動(dòng)物方面，中生代的翼龍是著名的能飛行的爬行動(dòng)物，但已于6800萬(wàn)年前絕滅。飛蜥、鼯鼠等都具有不同程度的滑翔能力。鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物中的蝙蝠是獲得完善飛行能力的高等脊椎動(dòng)物類(lèi)群。

　　動(dòng)物軀體的結(jié)構(gòu)在適應(yīng)飛行的過(guò)程中發(fā)生過(guò)顯著的變化。就飛行動(dòng)物的主要飛行器官──翼的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，也表現(xiàn)出從簡(jiǎn)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(dòng)物還沒(méi)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(yú)的“翅膀”實(shí)為發(fā)達(dá)的胸鰭，借尾鰭劇烈擺動(dòng)擊水而沖入空中，靠胸鰭的快速擺動(dòng)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(shù)端跳躍時(shí)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(chóng)、鳥(niǎo)類(lèi)和蝙蝠是具有撲翼飛行能力的動(dòng)物，在進(jìn)化過(guò)程中以不同的途徑獲得了飛行器官，昆蟲(chóng)的翅膀生于第2與第3胸節(jié)背方，由1或2對(duì)有彈性的翼膜構(gòu)成，鳥(niǎo)與蝙蝠的翼則由前肢演變而來(lái)。蝙蝠前肢的指骨特別長(zhǎng)，整個(gè)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(dòng)揮動(dòng)皮膜而實(shí)現(xiàn)飛行。

3鳥(niǎo)翼的構(gòu)造和功能

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 　鳥(niǎo)翼 （圖1）是適應(yīng)飛行的主要器官，鳥(niǎo)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(jiǎn)化而并合，前肢僅能在一個(gè)平面上做折翅和張翅的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因而有利于在胸肌支配下形成一個(gè)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(chēng)為初級(jí)飛羽，在前臂上著生的稱(chēng)為次級(jí)飛羽。它們?cè)谏瘸釙r(shí)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(niǎo)翼的翼角（腕部）生有一小簇羽毛,也對(duì)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(jiān)韌而富有彈性的羽片。飛羽的結(jié)構(gòu)對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)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(niǎo)類(lèi)撲翼飛行時(shí)飛羽之間隨揚(yáng)翅而出現(xiàn)裂隙，便于空氣通過(guò)，而在扇翅時(shí)各羽連合成嚴(yán)實(shí)的翼面以獲得最大的動(dòng)量。整個(gè)鳥(niǎo)翼的背部為弧面，空氣流過(guò)時(shí)能產(chǎn)生大的升阻比，有利于飛翔。

　　鳥(niǎo)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(jí)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小（負(fù)載面積）以及翼與軀體間的相對(duì)位置而適應(yīng)各種條件下空氣動(dòng)力學(xué)的需要。鳥(niǎo)類(lèi)的尾翼寬而堅(jiān)韌，張開(kāi)時(shí)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(niǎo)類(lèi)飛行時(shí)的翼梢渦流可產(chǎn)生阻力，是由翅下方來(lái)的向外氣流與翅上方來(lái)的向內(nèi)氣流所構(gòu)成的旋渦引起的。加長(zhǎng)翼的長(zhǎng)度可以減少這種渦流，能分隔開(kāi)翼端的渦流干擾。因此長(zhǎng)而狹的翼比短而寬的翼飛行更為有效，但機(jī)動(dòng)性差。展弦比大的升阻比值也高，善于翱翔的大型海鳥(niǎo)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(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行也有重要的作用，快速飛行的鳥(niǎo)類(lèi)大多具有較小的翼和較快的扇翅頻率，而翼面積較大的鳥(niǎo)類(lèi)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(niǎo)類(lèi)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(lèi)型

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

　　滑翔 　從某一高度向下方飄行?；璧靡猿掷m(xù)的條件是:體重/速度=移動(dòng)距離/失高。升力與阻力的比值越高和滑翔角度越小時(shí)，下沉也越慢，因而有較遠(yuǎn)的水平滑翔距離。飛魚(yú)、飛蛙、飛蜥和鼯鼠等的飛行就屬于這種類(lèi)型。鳥(niǎo)類(lèi)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(dòng)態(tài)翱翔兩類(lèi)。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(niǎo)類(lèi)(例如鷹和烏鴉等)能利用這種垂直動(dòng)量及能量產(chǎn)生的推力和升力。動(dòng)態(tài)翱翔利用隨時(shí)間或高度不斷變化的水平風(fēng)速產(chǎn)生的水平動(dòng)氣流。許多大型海鳥(niǎo)（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(shí)，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?gòu)淖畹吞幍牧氵_(dá)到頂層的最高速。海鳥(niǎo)利用這種動(dòng)量在氣流中盤(pán)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(dòng)雙翼而產(chǎn)生能量，是飛行動(dòng)物最基本的飛行方式。昆蟲(chóng)、蝙蝠和鳥(niǎo)類(lèi)多作撲翼飛行。它們沿水平路線飛行時(shí)，翅膀向前下方揮動(dòng)產(chǎn)生升力和推力，當(dāng)推力超過(guò)阻力和升力等于體重時(shí)就能保持繼續(xù)向前的速度。昆蟲(chóng)在揚(yáng)翅和扇翅時(shí)都能產(chǎn)生升力和推力，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)趽P(yáng)翅時(shí)翼呈“8”字轉(zhuǎn)動(dòng),借翼上表面轉(zhuǎn)向后下方擊動(dòng)空氣獲得推力。鳥(niǎo)類(lèi)在正常飛行中揚(yáng)翅時(shí)不產(chǎn)生推力，而是靠前一次扇動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水平動(dòng)量向前沖，內(nèi)翼（次級(jí)飛羽）則產(chǎn)生升力。鳥(niǎo)類(lèi)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(niǎo)類(lèi)撲翼飛行的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理至今尚未得到充分解釋。一般說(shuō)來(lái)，在扇翅時(shí)翅尖向前向下產(chǎn)生推力，而內(nèi)翅(次級(jí)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(huì)失速。扇翅時(shí)翅尖的力能使每一根初級(jí)飛羽轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，鳥(niǎo)的飛行就獲得加速（圖2）。

5人類(lèi)撲翼飛行

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 　人類(lèi)飛行最早曾受到動(dòng)物，特別是鳥(niǎo)類(lèi)飛行的啟發(fā)。飛行的第一步嘗試是單純模仿鳥(niǎo)飛的飛人試驗(yàn)。據(jù)文獻(xiàn)記載，中國(guó)最早的飛人試驗(yàn)（見(jiàn)中國(guó)古代飛行技藝）是在西漢王莽時(shí)代(公元23～25年)。中世紀(jì)后在歐洲作類(lèi)似嘗試者也不乏其人。古代飛人試驗(yàn)一般是把大鳥(niǎo)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(wú)法操縱。人們經(jīng)若干年代的反復(fù)試驗(yàn)后終于認(rèn)識(shí)到，這種將鳥(niǎo)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(shí)應(yīng)用于鳥(niǎo)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(dòng)兩根裝有鳥(niǎo)羽的槳而飛行。這種設(shè)計(jì)并不合理，是對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行機(jī)理的誤解，但人們認(rèn)為撲翼飛行能在短時(shí)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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，它成為飛行器探索者的主要研究對(duì)象。然而，揭開(kāi)鳥(niǎo)類(lèi)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(niǎo)的骨骼強(qiáng)而輕，其胸肌之發(fā)達(dá)，心臟搏動(dòng)和新陳代謝之迅速遠(yuǎn)非人所能及。試驗(yàn)證明，一個(gè)體格健壯的運(yùn)動(dòng)員即使作最大努力，也只能在極短時(shí)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(guò)長(zhǎng)期反復(fù)實(shí)踐，人類(lèi)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(jiàn)氣球、飛艇）。第二種來(lái)自某些飛行技藝(如竹蜻蜓)和昆蟲(chóng)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(niǎo)類(lèi)和其他飛行動(dòng)物學(xué)習(xí)。因此，早期的飛行器探索者大多借鑒于會(huì)飛的動(dòng)物。人在空中遇到的問(wèn)題和鳥(niǎo)在空中遇到的問(wèn)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(niǎo)身上找到對(duì)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(niǎo)翼運(yùn)動(dòng)的是英國(guó)的G.凱利。他不但首先將鳥(niǎo)的上升和推進(jìn)兩種功能從概念上區(qū)分開(kāi)來(lái)，還模仿鳥(niǎo)的軀體勾畫(huà)出現(xiàn)代飛機(jī)的輪廓。然而，要真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)力飛行，遠(yuǎn)非單純模仿動(dòng)物飛行所能完成，必須作到最大動(dòng)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(wèn)題。解決的途徑有二：一是對(duì)鳥(niǎo)翼構(gòu)造及其滑翔規(guī)律進(jìn)行考查；二是對(duì)風(fēng)箏等升力面的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行探討。然后將從兩方面得來(lái)的知識(shí)付諸實(shí)驗(yàn)。鳥(niǎo)翼是天然有效的升力面，定翼飛行器研制者們紛紛仿制鳥(niǎo)翼并在飛行實(shí)踐中檢驗(yàn)。鳥(niǎo)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(dòng)力學(xué)家們也大力從事這方面的研究和實(shí)驗(yàn)。英國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家H.菲利普斯通過(guò)原始的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)繪制出一些曲面翼型。美國(guó)航空先驅(qū)S.P.蘭利曾將鳥(niǎo)翼掛在旋轉(zhuǎn)臂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。人們力圖通過(guò)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(lái)又通過(guò)對(duì)鳥(niǎo)翼的系統(tǒng)研究獲得有用的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，從而擺脫了對(duì)鳥(niǎo)翼的單純模仿。但是人們對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行秘密的探索并未終止，空氣動(dòng)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(duì)鳥(niǎo)類(lèi)作過(guò)研究。論述鳥(niǎo)類(lèi)飛行的著作也不斷出現(xiàn)，茹科夫斯基的《論鳥(niǎo)的飛翔》第一次分析了飛行動(dòng)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(dòng)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(niǎo)的形態(tài)設(shè)計(jì)成的。李林達(dá)爾在進(jìn)行大量滑翔試驗(yàn)的同時(shí)，也曾對(duì)鳥(niǎo)的飛行進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究。他的《鳥(niǎo)的飛行──航空的基礎(chǔ)》等著作為后來(lái)的飛機(jī)研制者提供了寶貴的資料。

7鳥(niǎo)與飛機(jī)

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 　飛機(jī)飛行與鳥(niǎo)類(lèi)飛行有異曲同工之妙。鳥(niǎo)的飛行技術(shù)為飛機(jī)所沿襲和發(fā)展。把鷹和飛機(jī)來(lái)比較，兩者都有相似完整的一套改善空氣動(dòng)力性能的裝置：①小羽翼和前緣縫翼。鷹鼓翼時(shí)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(guò)，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(shí)張開(kāi)，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(kāi)縫翼尖和翼梢小翼。鷹外翼的開(kāi)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。