文艺贴《飞行器与自然的哲学》

天穹

飞行器与自然的哲学

天穹@5imx.com

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。

未完待续

天穹

四、气动:自然界不存在直线
飞机就是把地基打在空气上的建筑。空气看似柔弱，其实蕴含了无穷的力量，100千帕的压强，意味着每平方米的空气可以产生10吨的压力，足以让泥土陷下去了。
只要是一个好好听过自然科学课的小学生都知道这个简单的道理，飞机是利用机翼上下表面的压差飞行的。机翼上面是弯曲的，下面是平的，所以空气流过上表面会压缩而加速，压强降低，而下表面的空气压强大于上表面，便产生了升力。
答案真的这么简单吗？如果昆虫听见了，肯定会反驳说，我们的翅膀是一张薄膜，为什么也能有升力呢？大雁为什么可以借助同伴的尾流飞行？另外，空气也会不答应，谁告诉你我们会乖乖顺着机翼上表面走的，凭什么要听人类的指挥？而风筝、纸飞机以及许多简易的板机航模，这些常见的飞行器根本不是流线型，按理说肯定飞不起来。中学物理书给的敷衍了事的回答，显然是以偏概全。
升力的本质固然是压力差，压差来自于旋转的气流。牛顿这样解释风筝的飞行:空气吹在倾斜平板上，它的动量有两个分量，向上的和向后的。向上的分力就是升力。所以早期的飞机，机翼巨大无比，因为人们把空气当成了实体，用动量定理计算，远远低估了空气的力量。
实际上，空气在经过倾斜的平板时，会在平板前缘上方形成一个漩涡，这个漩涡反过来让空气加速，可以想象，就是一个微型的龙卷风在吸着平板往上跑，在一秒钟十米的速度下，这种"吸力"就大到了每平方米数公斤！
早期的飞机设计师为了减小阻力，会让飞机尽量光滑些，选用层流翼型，就是让空气尽量贴着机翼走。但是空气可不听话，如果机翼稍微有点瑕疵，平滑的层流马上就变成乱七八糟的湍流，就算机翼上有只虫子，都会把原本精心设计的外形毁掉。后来经过改进的层流翼型终获成功，还成功地应用在人力飞机上，极高的升力、极小的阻力使人类能够依靠自身力量飞行了。然而设计师们并不满足，普通的飞机阻力减小了，那些飞着眼花缭乱的特技的战斗机又怎么办呢？只要战斗机一个急转弯，气流保证从机翼上分离，变得不听指挥，这样的战斗机性能可好不到哪里。
怎样让空气听话呢？利用漩涡！利用各种办法，在机翼上制造有规律的气旋，让“旋风”吸着飞机。这种升力叫涡升力，当工程师学会利用它时，起先是在战斗机上制造涡流，验证涡升力的猜想，随后，数不清的新式战机诞生了----F16，F18，Su27，EF2000，歼10，歼20......原理听起来玄乎，其实说白了也不难，就是在机翼前方增加一段很长很窄的边条，或者把尾翼装在机头变成“鸭翼”，让漩涡自然地发生，扫过机翼，无需人为去干涉。
因为涡升力，昆虫可以把自己吸到任何想去的地方，鸟类可以挥动翅膀轻松离地，大雁可以借助同伴的尾流减少自己的体力消耗...
让气流回归曲线，更加接近自然的飞行之道，顺从了空气的意愿，他也会更好地为你工作。
五、以柔克刚，返璞归真
刚刚看完宫崎骏的封笔之作动画《起风了》。梦中的飞机，总是那样贴近自然，微风中，机翼缓缓颤动，是的，自然界的飞行生物们都拥有柔软的躯体，他们能更好地驾驭空气。人类曾经却总是把飞机当成在空中盖房子，仿佛越结实越好，飞机因为受力导致的变形总是令人生厌。
为什么人类的飞行就是要把自己关进密闭的金属笼子里，然后像炮弹一样以1000公里的时速从一个地点发射到另一个地点？这只能叫航空运输，飞行本身不该如此。
飞机发明大半个世纪后，终于有勇士，给只能从高处向下跳的滑翔伞装上了发动机，像飞机一样飞行，依靠双脚起降。滑翔伞是软的，但是有速度的空气很坚硬。滑翔伞有上下两层布，中间空心，前方开口，后面封闭，形成了气囊，当飞行员启动发动机向前奔跑时，空气就灌进了气囊，像吹气球一样把布吹得鼓起来，原本软绵绵的布顿时成了机翼，几步之内人就可以腾空而起。这种柔软的翅膀让数百万人实现了自由翱翔的梦想，对于动力伞的飞行员，天空是那么触手可及，找一个风和日丽的周末，一片大草地或者海滩，轻松地跃上蓝天，和鸟儿一起飞翔，如果遇到上升气流，甚至可以关闭发动机，乘风飞到云端，此时人就被天空包裹，耳边只有风的声音......
更有敢于冒险者，设计了一种带翅膀的衣服----翼装，穿上它，从高空起跳，然后尽情地滑翔。同样时柔性翼，动力伞是悠闲放松的海鸟，翼装则是风驰电掣的雄鹰，时速达到250公里。可惜翼装飞行太过危险，普通人无法驾驭，但是就算看看这些勇士的飞行录像，也能以超人的视角一饱眼福。
像鸟儿一样飞行，最终的出路也许还是扑翼机--开头提到过的飞行器。如果研制一种小型智能扑翼机，让翅膀感应人的手势，只要挥动双臂就可以控制翅膀的角度、扑动频率和振幅，不就可以让人人都体验插翅而飞的感觉了吗？
对于大客机这样的庞然大物而言，柔软的机翼也有它的好处。如果客机的机翼在升力作用下弯曲了，那么它会自然地在翼尖产生一个负扭转角，意味着减轻了翼尖的负担。翼尖的受力减小，那么翼根受到的弯矩更会迅速减小，这就意味这机翼的设计强度可以降低许多，重量可以减轻，飞行会更加轻盈。是一门新的学问----气动弹性设计，也就是以柔克刚的学问，正在悄然兴起。
对向往飞翔的人来说，人与飞行器、天空融为一体，获得心灵的解放，这应该就是终极追求吧。飞行，本不该那么复杂的。
总结：飞行器是个纠结体
纠结，即矛盾，辩证法的永恒之道。比如当年鬼子在一克一克地克扣零战的重量时，也为这种飞机的被打得落花流水的命运埋下了伏笔----固然敏捷灵活，却只需几颗子弹就可以让它解体。所有飞机都是这样，你要强度，总得牺牲重量。你要高速，就要减小阻力，减小机翼的面积，却影响了飞机在低速时的操纵（例如F104战机）。如果你把飞机做成可以变形的来适应不同的速度需求，它又会很重（F14变后掠翼）。如果你想让飞机无需机场垂直起飞，那它注定飞不远，或者因为异常复杂而经常出机械故障（例如鹞式、鱼鹰等）。数不胜数的例子表明，不可能有完美的飞行器。
生物有多样性，因为他们为了适应不同环境，飞机也是科技进化的产物，因此，不同特点的飞机也是为了不同的需求而研制的，有时候常常需要牺牲一些性能来满足另一些。庄子说，鲲鹏能飞九万里，鹌鹑却只能在低空蹦一蹦，可是，你让鲲鹏在树林里超低空飞行试试？保证因为翼展太大，机动性差，撞个头破血流！
有纠结的世界才会丰富多彩，因为纠结，世界上有多少种飞机已经数不清了，人类还将为航空梦奋斗下去。
最后引用《起风了》里面卡普罗尼和掘原二郎在梦里的对话结尾吧----你是喜欢有金字塔的世界，还是没有金字塔的世界？
----还是有金字塔吧。
航空，就是人类科技的金字塔。尽管“飞行是被诅咒的美梦”，飞机会邪恶地杀死无辜百姓，会神出鬼没地窥探一个国家的秘密，还会无情地让几百人凭空消失，但是有它，才有对天空的憧憬，才有超越一切情感的梦想！


文艺完毕

天穹

回复需审核？无语

老吉头

天空@飞翔

说的很有见地，

jiffy911

写的好文艺！

wanjingcai

原创，申精！

carrson

看看时代的趋势，也许未来1000年人类的日常生活离不开飞行了

gunlouti

我也来文艺一下。

Konan

文艺的学长~~~学长~~~~长~~~~~

天穹

Konan 发表于 2016-5-12 21:04
文艺的学长~~~学长~~~~长~~~~~