雨燕翅膀的启示

厉莉

当著名的美国F-14“雄猫”军用飞机在2006年退役的时候，迄至当时最成功的“可变翼”飞机技术实验也跟着被搁置了下来。这种技术是人们通过观察鸟类飞行而获得的，其设计理念是：在飞行中，飞机根据飞行速度的变化而不断地改变机翼的形状，以充分发挥空气动力学优势，达到最佳飞行性能。对当时的机械师来说，如何让飞机的机翼能像鸟扑翼那样改变形状是一个难题。尽管“雄猫”是当时同类产品中最好的，但它在这方面还差得很远。

今天，得益于研究人员对褐雨燕在飞行中不断变化翅膀形状的研究，上述难题或许能够得到解决。

褐雨燕属于雨燕科，拉丁语的意思是“无脚的鸟”。说它们“无脚”有点夸张，但褐雨燕的脚的确很少触地，它们在觅食、求偶甚至睡觉时都在飞行。人们观察到，褐雨燕在飞行中很少拍打翅膀，仅仅是利用改变翅膀的几何形状在空中作很长距离的滑行。也正因此，褐雨燕成为人们研究飞机机翼变形的最理想的生物。

雨燕的翅膀又长又薄并且弯曲，在尖端逐渐缩小成一个点，有点像一把镰刀。从结构上来说，这非常类似于人的手臂。如果你伸展开你的两只手臂，然后往上添加一些骨头，再添加一些羽毛，你几乎就拥有了一副翅膀。雨燕扇动翅膀，就像人运动手臂，胸肌赋予了翅膀运动的能量。

事实上，骨架、羽毛和翼型是雨燕以及所有飞鸟飞行的关键。鸟的主要的飞羽是长在翼尖的骨头上的，而次级飞羽则是长在前肢的骨头上的。雨燕与其他鸟类的不同之处在于，它们的翅膀有相对于身体比例很大的翼尖骨，这就增加了变翼的可操作性——它们可以通过迅速弯转“手腕”来改变“手”和前肢之间的角度，从而改变翅膀的形状和面积。

研究人员通过仔细观察雨燕翅膀在各种速度下的形状改变发现，最重要的是“手”和前肢之间的角度——当“手腕”折起后，翅膀扇动的有效面积瞬间就减少了30%。

研究人员还把雨燕的翅膀（取自于保护区中的死鸟）粘到一个精密校准的仪器上，然后放在风洞中，通过改变与气流平行的拖曳力和与气流垂直的升力来测量羽翼几何尺寸是怎样改变的。拖曳力、升力和鸟的自身质量都是滑翔飞行中的重要参数。研究人员发现，当雨燕在飞行中张开“手腕”，伸展翅膀做直线飞行时，使用的能量最少，滑翔的时间也最长、最稳定。这时雨燕的最佳飞行速度大约是每小时30千米，尽管它在伸展翅膀时产生了巨大的拖曳力，但同时也提供了更大的上升力。

众所周知，雨燕的习性是一边飞，一边在飞行中“歇息”。用雷达进行的跟踪也证实了雨燕确实是在飞行中睡觉的。它们一边滑翔，一边睡觉，定期扇动一下翅膀以保持平均每小时30千米的飞行速度，并把每分钟下降的高度减少到最低限度。换言之，它们在打盹的时候是以最小的能量滑翔飞行的。

而当雨燕要高速飞行时，它们则迅速收起翅膀。雨燕的俗名是swifts，意思是“敏捷的、迅速的”。有记载的雨燕的最高飞行速度竟然超过每小时100千米，也难怪它们在时速30千米时会睡着！事实证明，把翅膀收起来是节能高速巡航飞行的关键。换句话说，当在较高的速度飞行时，收起翅膀可以减少拖曳力，同时更有效地保持小角度滑行并使之在空中停留的时间最长。

如果说雨燕在低速直线飞行时要张开翅膀，在高速直线飞行时要收起翅膀，才能够具有最佳飞行效率，那么，拐弯飞行时应该怎么做呢？在空战中，战机需要做大量的急转弯，F-14“雄猫”是以张开翅膀来增加其操作性的。张开翅膀也是雨燕在转弯时采用的技巧，它们需要至少每小时30千米的飞行速度。在这个速度上，雨燕用打开翅膀转弯，比用弯曲翅膀尖转弯至少要快一倍。

但是，在较高速度转弯时，在模拟风洞中很难测量张开翅膀和收起翅膀的相对效率。因为在风速为每小时50千米左右时，张开的翅膀非常容易被气动压力所损坏。而雨燕在高风速的情况下飞翔时，张开的翅膀会自然弯曲并在动荡的空气中稍微扭曲，从而避免了被损坏。所以，当雨燕捕食那些快速飞行和快速转弯的昆虫时，为保持飞行的高速度，它们只需要弯曲一下翅膀尖，就轻而易举地获取了美餐。

人类试图获得几何形状可变的机翼，可是最大的障碍就是铰链系统设计的复杂性和它们所带来的重量。现在设计者正在制造一种灵活、轻便像雨燕一样大小的飞机模型，它的机翼能够变形。如果这种模型可以按比例放大的话，那么，战斗机飞行员就可以有一架快速、灵活的飞机了，它可以减慢速度，用展开翅膀来保持固定的高度，并最大限度地延长在空中飞行的时间。不过，即便这样，飞行员也不会在空中打瞌睡。