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科學報 科學文摘 探索

蜻蜓:飛行的王者,科學家研究數十年,一直吃不透關鍵技術!


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更新日期:20201205
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廣西日報科學在線

自從人類誕生以來,看到空中的飛鳥無視地形高速翱翔,會容易讓人羨慕:要是我也能飛就好了,這種願望,持續數千年,最終在20世紀初,達到了史無前例的突破,通過觀察鳥類飛行,以及鳥類翅膀構造,萊特兄弟成功發明飛機,從此實現了人類的夢想,從此以後,人類不斷在高度速度載重航程挑戰自我,將鳥類遠遠甩到身後。

除了鳥類,人類還模仿昆蟲的垂直起降和懸停,發明了直升機,從此,人類在技術上完全做到了自由飛行,某些人就此斷言,鳥類和昆蟲不再對人有任何啟發!事實真的如此嗎?

回答是完全否定的,就尺寸和重量而言,人造飛行器遠超鳥類和昆蟲,但是在飛行特性上,人類飛機仍然算是不折不扣的弱雞,和鳥類昆蟲相比,就是簡單粗糙效能低下的油老虎,尤其和蜻蜓相比,人家任何先進飛行器,幾乎像弱智一般。

從飛行效率來說,人類飛機比不上鳥類,更比不上蜻蜓

在鳥類和昆蟲界,蜻蜓算是一個一種超級無敵的存在,堪稱飛行大師,簡單來說就是,蜻蜓兼備了高速飛行性能,而且機動性非常好,可以快速改變高度和方向,類似性能在人類戰鬥機上可以看到,但是蜻蜓還有更強悍的功能,可以在某個高度緩慢滑翔,而且也可以懸停在空中,這就讓人類設計師直接跪下。

這還不是最強,蜻蜓雖然是生物界比較小尺寸的品種,但是還可以實行倒飛,側飛,甚至可以做到直上直下的機動,這還不是大事,更讓人吃驚的是,一對蜻蜓交尾時,雙方還可以相互配合高速飛行,垂直起降懸停都毫無問題,這種技能,讓全世界的飛機設計師簡直無語,假如能實現的話,人類編隊飛行,空中輸送油料,彈藥,甚至飛行員,將不成問題,甚至可以空中維修飛行機,假如能做到的話,這又是飛機的另外一重天地。

蜻蜓彆扭姿勢交尾,還可以快速協作飛行,雖然機動性稍差,但是還是相當靈活

科學家研究蜻蜓幾十年,他們發現蜻蜓有很多奧秘,其中一個是蜻蜓能高效利用非定常渦流,常規人類飛行器,巡航時候機翼基本都固定的,迎角大多在0-5度,但是蜻蜓翅膀一直是不停運動的,大約每秒卻可振動30一50次,振動也很特殊,不僅僅繞著根部前後運動,而且還圍繞根部不停做旋轉,不斷調節翅膀和氣流的相對角度,而人類就做到了前者,而且是很粗糙簡單:改變機翼後掠角,巡航階段經常是固定到一個角度就鎖死不動。

蜻蜓這種特殊性能,讓科學家驚嘆,大家都知道,常規機翼大多在20度迎角就開始失速,升力大幅度下降,但是蜻蜓最大迎角超過40度,而且可以反覆利用非定常的渦流增加升力,不存在失速和失控的風險,科學家幾十年努力,希望掌握這種技術,未來將可以將飛機巡航效率提高一倍甚至更多。

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最近些年,飛機設計師的一個方向是,仿照鳥類或者昆蟲撲翼,蜻蜓就是其中重點

蜻蜓還有很多不解之謎,有兩對串列翅膀,每對翅膀的其中一個都可以獨自操作,通過精密的神經系統控制,可以做到自由飛行,不僅可以向前飛,也可以快速轉向,而且可以產生直接上下的運動,不需要人類笨重的噴氣設備,僅僅通過輕盈的翅膀運動,前後兩對翅膀如何工作能達到如此完美飛行效果,現在還沒有完全清楚。

飛機設計師看蜻蜓,飛行性能基本無敵,但是用在大型飛機上卻存在很多障礙,包括人類難於實現大型可變機翼高速振動,不僅僅兩個方向的耦合動作,而且還包括了前後機翼氣動影響,以及單獨產生垂直向上向下的升力,不管是氣動控制原理,還是機構設計,材料研製都存在巨大的難度。

蜻蜓作為飛行器,具備了高速高效率巡航,高機動,垂直起降和懸停,以及突然垂直機動,這是所有設計師夢寐以求的功能,迄今為止,僅僅實現了一小部分,全世界對蜻蜓的研究,也進入一個新階段,不斷有新型產品問世。

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