文艺贴《飞行器与自然的哲学》 - 5iMX.com 我爱模型玩家论坛 ——专业遥控模型和无人机玩家论坛（玩模型就上我爱模型，创始于2003年）

前段时间无聊乱写的，发到论坛上来混分
一、航空起源的本质
首先从为什么人类有文明说起。人类其实是最穷光蛋的生物，简直就是自然界进化的失败，没有可以保暖的皮毛，没有锋利的牙齿，没有飞速奔跑的能力，而更没有翅膀这种广泛存在于自然界的器官。人类唯一高明之处就是大脑还算发达，所以可以幻想着拥有其它生物所拥有的各种能力，包括飞行。我们今天的工业文明，很大程度上只是在弥补人类器官的各种缺陷罢了，因此人类有了为自己插上翅膀的想法再正常不过了。
我们常常把航空与民族精神甚至是人类征服自然的雄心壮志联系在一起，实际上归根到底，那些都是引申的意义，人类最原始的飞行的冲动，一定只是为了一个字--爽。翱翔云端，俯瞰大地，最初的目的不过是一种精神上的愉悦吧，航空的起源是人类科技浪漫一面的体现。

二、仿生到底要仿到什么程度
既然是要飞，那人们首先就会想到模仿鸟类。可是无论是靠人力还是靠机械，扑翼机总是飞不起来。在多次失败后就有人断言，刻板地模仿鸟类死路一条，要想飞，只有把鸟类的精华部分提取出来，在比较抽象的层面上模仿他们的飞行原理。
从具象的仿生，到抽象地模仿原理，在第一个发展的循环中，人类上升了一步。
鸟的翅膀、尾巴、身体、腿都被抽象成人类擅长制造的结构，演化为机翼、尾翼、机身、起落架等等，但是这样一个“结构体”是刚性的，因此显得很笨重。可不管怎样这种刚性的“鸟”就是飞机的鼻祖滑翔机，在加上向前推进的发动机后，真正意义上的飞机便诞生了。
飞机逐渐脱离了鸟类，走上了自己的进化之路，但也越来越脱离那种原本期望的自由飞行，而是成了彻头彻尾的机器。很快，人类又回过头来向自然学习，当然这回不是把翅膀扑起来，而是学习飞行生物们的本领:模仿蜻蜓翅膀上的痣，克服机翼颤振；模仿鸟翅的尖部，发明翼尖帆片；最重要的是人类意识到昆虫可以制造漩涡来把自己吸附到想去的方向，便学习借助涡流飞得更高更远更灵活。。。
转眼间，百年过去，飞机的性能发展已经遇到了瓶颈，每一点的提高都很困难。那么，还是老问题，是不是只有扑翼飞行，才是未来的发展方向？
鸟类进化了几千万年，按理说，肯定比人类高明，那么，如果人类完全地把鸟的飞行动作、翅膀结构模仿过来，是不是能有更好的性能呢？
有人肯定，认为扑翼是一种高效的飞行方式，值得模仿，也有人否定，认为人类永远造不出如此灵巧的翅膀，再怎么模仿扑翼也无法与鸟媲美。
那么，我想提个问题:
双腿走路省力还是骑自行车省力？
你一定更愿意骑车。
所以，如果让鸟类选择，它们一定希望自己装个螺旋桨。
再问个问题:
如果你是在爬一座险峰，你愿意走路还是骑车？
那肯定还是走路吧。
所以自然界选择了扑翼飞行。大气总是不平静，飞行就像攀登险峰。所以。在风平浪静的时候，飞机可以更加自在地飞行，鸟类却要扑腾扑腾翅膀。似乎很累，但一遇到恶劣天气，飞机只好躲在窝里，鸟却可以搏击暴风雨。
另外，运动方式也是人类机械与动物的区别。自然创造的动物都是周期运动的，鸟扑翼，人走路，鱼摆尾，都是有个频率。而机械擅长旋转运动，所以人类的飞行靠的是螺旋桨和风扇。如果为仿生而仿生去研制扑翼机，就和给汽车加上四条腿是一个性质！
固定翼与扑翼，没有好坏之分，只有适合与不适合。当然，我们不该挖苦研究扑翼机的人，因为就算知道也许会失败，他们仍然会研究下去，为了一个纯粹的飞行梦想--像鸟一样飞。相信随着3d打印技术、人造肌肉等新材料的发展，“人造鸟”将以假乱真。

三、结构:从离散到整体
飞机既然是个刚性的物体，那它就更像是一种死的结构，与全身关节可以自由活动的动物不通，飞机还是种低层次的仿生造型体，这听起来就像是飞行的建筑，只不过地基是气体而已。起初这种"飞行的建筑"除了需要更轻更结实之外，跟建筑结构其实大同小异。梁，柱，板，拱，索，膜，壳等用于建筑的结构都出现在了飞机上。
与建筑一样，飞机也是从木结构开始的。在莱特兄弟那个年代，飞机都是双翼的，翼梁、翼肋、支柱与机翼间的拉索(张线)共同形成了类似桁架的结构，就像长江大桥一样。桁架可以承受比较大的弯矩而不必用很粗的杆件，因此看似很细的木条就可以支撑起数百公斤重的飞机。至于机翼，就是把布蒙在桁架表面，和风筝一样产生升力。
这种简陋的双翼机缺点也很明显，它们长得根本不像是飞行器，笨重的大木架子阻力很大，如果遇到大风天，飞行速度还比不上骑自行车。为了让飞机像鸟类一样轻盈，单翼机的出现成为了主流。单翼机没有了桁架那样坚强的承重结构，而是类似斜拉桥，机翼就是桥面，机身上竖起高高的桥塔，用绳索把机翼吊起来。绳索在机翼上下表面都要有，这样无论是停放还是飞行，机翼都能保持平直而不会垮掉。
很快，金属作为材料的飞机便占据了天空。不用再像蜘蛛网一样密布的张线，飞机的结构再一次进化。机翼的骨架依然没什么变化，只是承力的部件变成了翼梁，悬臂梁机翼就如建筑物的悬挑结构，一根或者数根梁从机身上悬挑出去，所有的升力聚集在梁上，用梁抬起机身。
至此，虽然飞机看起来已经比较现代了，但归根到底还是按照建筑的结构在设计，建筑是扎在土里的，用地上的结构来造天上的东西，显然不是那么合理的。于是新的设计需求推动了力学的进步。
二战前的飞机都有一共同点，就是结构的分工明确。空气把力传给蒙皮，蒙皮把力传给桁条，再到翼肋，最后集中于翼梁，一起传给机身。层层的传递故然符合人类直观的思维，可是它们在实际工作时是整体受力的，哪个构件干什么并不是由人的意志来控制。如果让这些构件团结起来共同受力，合作的力量总是巨大的。
想象一个立体的桁架，像拧麻花一样施加扭力，它的杆件总会有破坏的时候。如果把桁架四面都蒙上布，把布拉紧，那么想要拧坏它，至少要把布先撕裂。所以拉紧的布也能承受一定的力，这就是应力蒙皮的由来。飞机的结构不再是简单的皮包骨头，而是把更结实的皮与骨头牢牢地连在一起，成为整体，它们可以共同承担弯矩和扭矩，所以骨架可以设计得更加轻便。
当然，这还不是最理想的形式，仅仅是大整合的开始。新材料的出现，为飞机结构的进化创造了新的机会。玻璃钢、碳纤维等材料广泛用在了现代飞机上，它们就像昆虫的外骨骼，强度大，重量轻，既维持了外形，又是结构的主体。机身、机翼等都变为了坚硬的壳体，而内部只需要少量的加强（比如客机的加筋壁板、复合材料飞机的泡沫夹心结构...）。
复杂的计算和设计，最终是为了更简单的结构，也许，未来的飞机会干脆把外形与结构合一，比如向着环形机翼和串列连翼的方向发展。听起来这是绕了一圈又回到了双翼机的思路去了，但事物总是会在绕了一圈之后上升一个新台阶的，飞机也必将如此。

5iMX.com 我爱模型 玩家论坛 ——专业遥控模型和无人机玩家论坛（玩模型就上我爱模型，创始于2003年）

5iMX.com 我爱模型玩家论坛 ——专业遥控模型和无人机玩家论坛（玩模型就上我爱模型，创始于2003年）