很早人類就有飛向天空的夢(mèng)想，人們也一直非常羨慕鳥兒，只需要輕輕拍打幾下翅膀就可以在天空中任意翱翔。后來(lái)人類的很多飛行技術(shù)都是模仿鳥兒進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但認(rèn)真思考一下你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，人類設(shè)計(jì)的飛機(jī)都是固定機(jī)翼的，為何不設(shè)計(jì)像鳥兒一樣的撲翼式飛機(jī)呢？

鳥類是如何飛行的？

鳥兒的飛行主要分成兩個(gè)部分，撲翼飛行和滑翔飛行。撲翼飛行是鳥類飛行的基本方式，也就是鳥兒撲打翅膀的過(guò)程。在翅膀撲打過(guò)程中，翅膀會(huì)將空氣快速往下推，在反作用力的作用下，鳥兒便可以獲得向上的升力。特別是在起飛以及飛行中需要獲得更大的升力和沖力時(shí)。鳥類飛行時(shí)靠雙翼快速、有力扇擊而產(chǎn)生動(dòng)量。在世界著名期刊《Nature》中，就有科研人員發(fā)表了一篇關(guān)于蜂鳥飛行過(guò)程中的空氣動(dòng)力學(xué)研究，描述了蜂鳥飛行過(guò)程中周邊空氣的流動(dòng)狀態(tài)。

蜂鳥飛行時(shí)周邊氣流走向

另外鳥類翅膀上的羽毛還有著非常特殊的結(jié)構(gòu)，首先鳥類的羽毛非常的光滑，這在一定程度上減少了飛行過(guò)程中的阻力。并且鳥類的骨頭和羽毛都是中空結(jié)構(gòu)，大大地減少了翅膀的密度，減輕了自身的重量。

鳥的骨頭以及羽毛都是空心結(jié)構(gòu)

下圖是鳥類翅膀羽毛的分布，在翅膀向上揮動(dòng)的時(shí)候，鳥類翅膀上的羽毛可以像百葉窗一樣打開，使氣流穿過(guò)翅膀，因此翅膀在往上揮時(shí)，產(chǎn)生的阻力很??；當(dāng)翅膀向下?lián)]動(dòng)的時(shí)候，相當(dāng)于百葉窗關(guān)閉。此時(shí)的翅膀就變成了密不透風(fēng)的墻，向下?lián)]動(dòng)的時(shí)候，空氣就會(huì)給翅膀很大的向上的力，也就是升力。當(dāng)升力大過(guò)重力的時(shí)候鳥就可以起飛離開地面。

不同動(dòng)物飛行過(guò)程中翅膀的運(yùn)動(dòng)軌跡

當(dāng)鳥類撲翼式飛行達(dá)到了一定的速度后則會(huì)開始滑翔，滑翔過(guò)程中，由于鳥類翅膀與水平面之間存在一定的仰角，同時(shí)鳥類翅膀的流線結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生康達(dá)效應(yīng)，從而在滑翔的過(guò)程中不斷保持升力。

鳥兒滑翔過(guò)程受力

為什么人類不制造撲翼式飛機(jī)？

首先我們想象一下，如果一架重達(dá)200噸的飛機(jī)向鳥兒一樣拍打翅膀?qū)?huì)是什么樣子。如果想像不到，可以參考一下下面這張圖。沒(méi)錯(cuò)，很有可能想圖中的情景一樣，直接散架。

我們要知道，一架普通中型飛機(jī)的重量為200噸左右，而單片機(jī)翼的長(zhǎng)度約為12米，并且飛機(jī)的機(jī)翼如果擺動(dòng)起來(lái)，這還是一個(gè)費(fèi)力杠桿的結(jié)構(gòu)，只有依靠強(qiáng)大的動(dòng)力才能夠?qū)崿F(xiàn)撲打，這對(duì)材料的結(jié)構(gòu)提出了非常嚴(yán)格的要求。與固定的機(jī)翼相比，機(jī)翼?yè)潋v過(guò)程中會(huì)被不斷彎折，交錯(cuò)的應(yīng)變會(huì)逐漸破壞材料的結(jié)構(gòu)，如果強(qiáng)度降低，危險(xiǎn)性也將大大增加。

對(duì)機(jī)翼的耐久性測(cè)試

所以從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，重量級(jí)的飛行器天生就不適合撲翼式飛行。從理論上來(lái)說(shuō)，撲翼式飛行能夠?qū)崿F(xiàn)更多高難度動(dòng)作以及更精準(zhǔn)的飛行控制，但這依賴著動(dòng)物身上所擁有的無(wú)數(shù)個(gè)傳感器，無(wú)論是鳥類還是昆蟲，身體任何一個(gè)部位的感應(yīng)到周邊環(huán)境的變化，都立刻可以對(duì)飛行姿勢(shì)以及飛行力度進(jìn)行調(diào)整，而人類科技遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)水平。

蜂鳥飛行過(guò)程中可以直接在空中實(shí)現(xiàn)懸停

另外機(jī)翼?yè)浯蜻^(guò)程中也會(huì)帶來(lái)巨大的振動(dòng)，如果你所坐的一個(gè)飛機(jī)在飛行過(guò)程中機(jī)身不斷地上下擺動(dòng)，相信你肯定也受不了吧。

人類目前所制造的撲翼式飛行器僅限于一些較小的仿生飛行器，這類飛行器在生活中可以作為娛樂(lè)玩具，但在軍事方面也能夠發(fā)揮巨大的作用。因?yàn)檫@類仿生飛行器可以做得非常小巧，同時(shí)外觀以及飛行行為又與昆蟲或者鳥類十分像，因此隱蔽性也很強(qiáng)。

仿生飛行器

在2019年《Nature》中就報(bào)道過(guò)一篇人類制造的最小自主飛行器——總重259毫克（即0.259克），翼展3.5厘米，高6.5厘米，可以在無(wú)需外接電源線的情況下持續(xù)飛行。這便說(shuō)明了在控制質(zhì)量的情況下，撲翼式飛行器則更有優(yōu)勢(shì)。

重量為0.259克的撲翼式飛行器

由于撲翼式飛行過(guò)程中，復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)使研究變得更加困難，雖然人類目前在撲翼式飛行的技術(shù)的研究還不夠成熟，但它在一些領(lǐng)域有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，有專家就曾表示，如果仿生無(wú)人機(jī)被投入未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)配合執(zhí)行跟蹤定位、精準(zhǔn)打擊等任務(wù)，面對(duì)它們與一般昆蟲的外形和飛行狀態(tài)幾乎一致的特點(diǎn)，當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)上的通用雷達(dá)或其他偵察手段都很難作出準(zhǔn)確判斷，它在未來(lái)軍事領(lǐng)域的作用不容小覷。

總結(jié)

撲翼式飛行器其實(shí)相比于固定式機(jī)翼的原理更加復(fù)雜，對(duì)材料以及技術(shù)提出了很高的要求，以目前的研究水平，制造龐大的撲翼式飛機(jī)幾乎沒(méi)有可能，但在小型飛行器領(lǐng)域，撲翼式飛行器可以發(fā)揮出固定式機(jī)翼飛行器更難完成的飛行動(dòng)作，具有很大的研究?jī)r(jià)值。