动物飞行

动物飞行（ animal flight ），在动物世界中有许多种类的动物具有飞行能力，其中以鸟类为最。飞机的发明在许多方面受到鸟的启示。

飞行动物类群

在动物进化发展的过程中，昆虫是最先获得飞行能力的。在脊椎动物方面，中生代的翼龙是著名的能飞行的爬行动物，但已于6800万年前绝灭。飞蜥、鼯鼠等都具有不同程度的滑翔能力。鸟类和哺乳动物中的蝙蝠是获得完善飞行能力的高等脊椎动物类群。

动物躯体的结构在适应飞行的过程中发生过显著的变化。就飞行动物的主要飞行器官──翼的结构来说，也表现出从简单到复杂，从低等到高等这一发展历程。一些作短距离滑翔的动物还没有形成真正的翼，仅是躯体的某些部分变形成为宽阔的膜状物，借以在空气中支撑体重，进行滑翔。例如：飞鱼的“翅膀”实为发达的胸鳍，借尾鳍剧烈摆动击水而冲入空中，靠胸鳍的快速摆动可在18秒内贴水面滑行100～150米；飞蛙的前后趾间生有宽大的膜蹼，攀爬树端跳跃时靠脚蹼滑翔数十米；飞蜥的体侧皮肤扩张成翼膜并与四肢连接，可滑翔60～70米的距离。昆虫、鸟类和蝙蝠是具有扑翼飞行能力的动物，在进化过程中以不同的途径获得了飞行器官，昆虫的翅膀生于第2与第3胸节背方，由1或2对有弹性的翼膜构成，鸟与蝙蝠的翼则由前肢演变而来。蝙蝠前肢的指骨特别长，整个指骨、肱骨、后肢和尾骨间均覆有薄而柔韧的皮肤膜，借前肢运动挥动皮膜而实现飞行。

鸟翼的构造和功能

鸟翼（图1）是适应飞行的主要器官，鸟翼的骨骼薄而轻，并有充气现象。很多骨骼为适应飞行生活而并合和消失。这特别表现在前肢变形方面：手骨（腕骨、掌骨和指骨）简化而并合，前肢仅能在一个平面上做折翅和张翅的关节运动，因而有利于在胸肌支配下形成一个有力的抗击空气的整体。翅上着生的毛羽是翼的重要组成部分，其中在手骨上着生的称为初级飞羽，在前臂上着生的称为次级飞羽。它们在扇翅时产生不同的力。前者产生推力，后者产生升力。此外，在鸟翼的翼角（腕部）生有一小簇羽毛，也对飞行的控制起重要作用。每一支飞羽都由羽轴和羽片构成。羽轴的基部深入皮肤内，羽片由羽轴两侧平行伸出的很多羽枝构成。每一羽枝两侧密生成排的羽小枝，上有钩突，彼此钩连，因而构成坚韧而富有弹性的羽片。飞羽的结构对鸟类飞行的适应还表现在每一羽的外羽片狭窄，内羽片宽阔，各羽从外向内逐次覆盖。羽轴在气流作用下还略有旋转能力，因而当鸟类扑翼飞行时飞羽之间随扬翅而出现裂隙，便于空气通过，而在扇翅时各羽连合成严实的翼面以获得最大的动量。整个鸟翼的背部为弧面，空气流过时能产生大的升阻比，有利于飞翔。

鸟翼是一种轻巧的可变翼，它既有机翼那样的飞行表面，又因翅尖（初级飞羽）向下、向前扇击而有推进器的功能，借不断改变翼的形状和大小（负载面积）以及翼与躯体间的相对位置而适应各种条件下空气动力学的需要。鸟类的尾翼宽而坚韧，张开时状如团扇，在飞行中起舵的作用，有助于着陆转身和减速。各飞羽末端之间的裂隙和气流作用下的弹性变形，也能使气流趋于平缓。鸟类飞行时的翼梢涡流可产生阻力，是由翅下方来的向外气流与翅上方来的向内气流所构成的旋涡引起的。加长翼的长度可以减少这种涡流，能分隔开翼端的涡流干扰。因此长而狭的翼比短而宽的翼飞行更为有效，但机动性差。展弦比大的升阻比值也高，善于翱翔的大型海鸟信天翁，展弦比为25，海鸥和雨燕为11，乌鸦为6，麻雀为5。翼负载（体重与翼面积的比值）对鸟类飞行也有重要的作用，快速飞行的鸟类大多具有较小的翼和较快的扇翅频率，而翼面积较大的鸟类则能较缓慢地扑翼飞行。这是因为升力和阻力都与翼面积和速度平方的乘积成正比，所以大型鸟类一般翼负载较大，例如天鹅为200帕（20公斤力/米2），野鸭为100帕，乌鸦为30帕。

动物飞行的基本类型

飞行动物的结构和功能尽管千差万别，但飞行的基本类型可分为三类，即滑翔、翱翔和扑翼飞行。

滑翔

从某一高度向下方飘行。滑翔得以持续的条件是：体重/速度=移动距离/失高。升力与阻力的比值越高和滑翔角度越小时，下沉也越慢，因而有较远的水平滑翔距离。飞鱼、飞蛙、飞蜥和鼯鼠等的飞行就属于这种类型。鸟类的扑翼飞行也常伴以滑翔，特别是在着陆之前。

翱翔

从气流中获得能量的一种飞行方式，也是不消耗肌肉收缩能量的一种飞行方式，一般分为静态翱翔和动态翱翔两类。前者利用上升的热气流或障碍物（例如山、森林）处产生的上升气流。蝴蝶、蜻蜓和一些鸟类(例如鹰和乌鸦等)能利用这种垂直动量及能量产生的推力和升力。动态翱翔利用随时间或高度不断变化的水平风速产生的水平动气流。许多大型海鸟（例如信天翁和海鸥）普遍采用这种飞行方式。风吹经海面时，越接近海面越因摩擦而受阻，因而在约45米高的气层中产生许多切层，其风速从最低处的零达到顶层的最高速。海鸟利用这种动量在气流中盘旋升降，不需要扑翼即可终日翱翔。

扑翼飞行

借发达的肌群扑动双翼而产生能量，是飞行动物最基本的飞行方式。昆虫、蝙蝠和鸟类多作扑翼飞行。它们沿水平路线飞行时，翅膀向前下方挥动产生升力和推力，当推力超过阻力和升力等于体重时就能保持继续向前的速度。昆虫在扬翅和扇翅时都能产生升力和推力，这是因为它们在扬翅时翼呈“8”字转动，借翼上表面转向后下方击动空气获得推力。鸟类在正常飞行中扬翅时不产生推力，而是靠前一次扇动时产生的水平动量向前冲，内翼（次级飞羽）则产生升力。鸟类翅膀的形状、翼幅、负载、翼面弧度、后掠角以及飞翔的位置，均随每一扇翅而发生显著变化。扑翼频率和幅度也随翼的连结角和飞行速度而改变。鸟类扑翼飞行的空气动力学机理至今尚未得到充分解释。一般说来，在扇翅时翅尖向前向下产生推力，而内翅(次级飞羽)仍起机翼作用产生升力。翅尖具有大的连结角，不具备韧性就会失速。扇翅时翅尖的力能使每一根初级飞羽转动，后缘在气流压力下向上弯，每一羽毛如同一螺旋桨那样产生推力。当产生的推力大于总的阻力时，鸟的飞行就获得加速（图2）。

人类扑翼飞行

人类飞行最早曾受到动物，特别是鸟类飞行的启发。飞行的第一步尝试是单纯模仿鸟飞的飞人试验。据文献记载，中国最早的飞人试验（见中国古代飞行技艺）是在西汉王莽时代(公元23～25年)。中世纪后在欧洲作类似尝试者也不乏其人。古代飞人试验一般是把大鸟羽翼绑在人体上，靠重力从高处滑翔而下，结果往往失败，最理想的也只能作短距离飘落，根本无法操纵。人们经若干年代的反复试验后终于认识到，这种将鸟翅强加于人体的做法并不能使人升空，必须制造出更大的机器才能把人送上天空。16世纪初，意大利的达·芬奇曾将物理学和解剖学知识应用于鸟的研究，作了大量有关扑翼飞行的笔记并绘制了草图。他的扑翼方案是人体俯卧在飞行器上，靠划动两根装有鸟羽的桨而飞行。这种设计并不合理，是对鸟类飞行机理的误解，但人们认为扑翼飞行能在短时间内提供巨大升力，是理想中的最佳飞行方式。因此在相当长的时间内，它成为飞行器探索者的主要研究对象。然而，揭开鸟类飞行秘密不仅是飞行器探索者孜孜以求的事，也是生物学家和生理学家热衷研究的课题。扑翼器械实际上是飞人的延伸。鸟的骨骼强而轻，其胸肌之发达，心脏搏动和新陈代谢之迅速远非人所能及。试验证明，一个体格健壮的运动员即使作最大努力，也只能在极短时间内（约0.1秒）发出1.47千瓦（2马力）的功率。因此，人力或扑翼机之不现实性已很显然。

经过长期反复实践，人类终于摸索出几条通往天空的道路：①根据热空气气球原理而发明轻于空气的飞行器；②靠旋转面而直升飞行；③靠固定的翼面产生升力。第一种属于轻于空气的飞行器（见气球、飞艇）。第二种来自某些飞行技艺(如竹蜻蜓)和昆虫飞行的启示。第三种除受风筝等面状物的启示外，主要是向鸟类和其他飞行动物学习。因此，早期的飞行器探索者大多借鉴于会飞的动物。人在空中遇到的问题和鸟在空中遇到的问题相同，解决的办法也同样巧妙，飞机的各主要部件都能在鸟身上找到对应的部分。在世界航空史上被公认为最早科学地解释鸟翼运动的是英国的G.凯利。他不但首先将鸟的上升和推进两种功能从概念上区分开来，还模仿鸟的躯体勾画出现代飞机的轮廓。然而，要真正实现动力飞行，远非单纯模仿动物飞行所能完成，必须作到最大动力与最小重量的完满结合，进而作到合理的外形与良好的稳定操纵相一致（图3）。

定翼飞行器的探索

19世纪70年代以后，人们逐渐把注意力集中到定翼飞行器的研制，飞行探索进入定翼飞行器研究阶段。首先面临升力面的合理选择问题。解决的途径有二：一是对鸟翼构造及其滑翔规律进行考查；二是对风筝等升力面的空气动力特性进行探讨。然后将从两方面得来的知识付诸实验。鸟翼是天然有效的升力面，定翼飞行器研制者们纷纷仿制鸟翼并在飞行实践中检验。鸟的弓形曲面翼几乎成为早期定翼飞行器的标准翼型。而空气动力学家们也大力从事这方面的研究和实验。英国空气动力学家H.菲利普斯通过原始的风洞实验绘制出一些曲面翼型。美国航空先驱S.P.兰利曾将鸟翼挂在旋转臂上进行实验。人们力图通过这些研究和实验找出适合现代飞行器使用的翼型，后来又通过对鸟翼的系统研究获得有用的空气动力学知识，从而摆脱了对鸟翼的单纯模仿。但是人们对鸟类飞行秘密的探索并未终止，空气动力学家Н.Е.茹科夫斯基、滑翔大师O.李林达尔、飞机发明人莱特兄弟，都对鸟类作过研究。论述鸟类飞行的著作也不断出现，茹科夫斯基的《论鸟的飞翔》第一次分析了飞行动力学。还有一些人则从仿生学角度出发，直接从飞行动物中寻找范本。19世纪50年代出现的大型滑翔机就是模仿信天翁等大翼展海鸟的形态设计成的。李林达尔在进行大量滑翔试验的同时，也曾对鸟的飞行进行过系统研究。他的《鸟的飞行──航空的基础》等著作为后来的飞机研制者提供了宝贵的资料。

鸟与飞机

飞机飞行与鸟类飞行有异曲同工之妙。鸟的飞行技术为飞机所沿袭和发展。把鹰和飞机来比较，两者都有相似完整的一套改善空气动力性能的装置：①小羽翼和前缘缝翼。鹰鼓翼时使翼的连结角增大而增大升力，而翼角的小羽翼与翼体之间构成的缝隙则使气流紧贴翼的背面流过，防止湍流发生。飞机机翼的前缘缝翼在起落和大迎角飞行时张开，使下翼面的高压气流经翼缝流到上翼面，吹除附面层中的紊流，提高临界迎角并防止失速。②开缝翼尖和翼梢小翼。鹰外翼的开缝翼尖实为一单独小翼，起降低翼尖尾涡强度的作用；飞机则为减弱翼尖涡流强度和诱导阻力而设置翼梢小翼。③襟翼。鹰的内翼前缘在飞行中下垂，使翼的弯度增加以提高升力，而飞机的前缘襟翼为相同目的而设置。