鸟到飞行器的演变

一、鸟类飞行的真实原理

        至今人们对鸟类为什么能够在天上飞行,还无法理解。下面描述简略的原理,希望能够给您带来另类常识性的解答,揭开鸟类飞行的真实原理。

         平时我们每个人身上受到空气的压力2万公斤,自己并不觉的重,那是因为空气对我们的压力是四面八方的平衡力,它们之间相互抵消了。鸟类在空气中振动翅膀时,翅膀前面将空气挤入前方空气中, 从而前方空气压力升高了,因此翅膀后方没有空气,形成空洞区,吸引四周空气向其填充,空气压强逐渐回升。在翅膀继续运动下,前方的空气在压力下逐渐沿翅膀周边流动到后方的低压区,填补空洞,形成翅膀周边环流。翅膀前后产生了压力差,打破了翅膀前后面的空气平衡力,这个压力差使鸟类翅膀得到了升力。当翅膀提供的升力超过鸟类重量时,鸟类就会起飞。如果没有翅膀背面的空洞产生(即真空产生),鸟类就无法借助这个空洞区力(即真空区力)实现飞翔。

        真空区力与挤压区力组成翅膀的主要压强差力,是鸟类飞行的基本升力(指在垂直方向),与之相应的还有补充力,如阻力(粘性力)等。鸟类的翅膀方向与力度在空气中总是不停的变化,其产生的真空区力,也随着相应的变化,这就使得鸟类能够向前、向后、向上、向下或悬浮于空气中,作任意的三维运动。

二、早期飞行器

        鸟类为什么能飞行,上篇文字已经阐明了。人类模仿鸟类的结构和飞行原理,于1903年莱特兄弟制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者”1号,并且获得试飞成功。1939年9月14日世界上第一架实用型直升机诞生,它是美国工程师西科斯基研制成功的VS-300直升机。随着科学技术的不断发展,模仿机、运输机、战斗机、轰炸机、无人机等相继问世。

         当然飞行器的设计也不完全参照鸟类,鸟类是要振动翅膀获得升力,属于扑翼类型,扑翼结构相对复杂,人类开始研究固定翼飞行器,飞行器的机翼设计参考了鸟类。

1、机翼形状

        1800年左右,英国科学家、空气动力学的创始人之一凯利,模仿山鹬的纺锤形,找到阻力小的流线型结构。凯利还模仿鸟翅设计了一种机翼曲线,对航空技术的诞生起了很大的促进作用。同一时期,法国生理学家马雷,对鸟的飞行进行了仔细的研究,在他的著作《动物的机器》一书中,介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹也从研究飞行动物中,发现飞行动物的体重与身体的线度的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行物体身体大小的局限。人们通过对鸟类飞行器官的详细研究和认真的模仿,根据鸟类飞行机构的原理,终于制造了能够载人飞行的滑翔机。

2、翼尖小翼

        飞机在飞行中由于上下压差的不同,翼尖附近机翼下表面空气会绕流到上表面,形成翼尖涡,致使翼尖附近区域机翼上下表面的压差降低,从而导致这一区域产生的升力降低。这是产生诱导阻力的根源。人们通过长期观察自然界大型鸟类,比如鹰和隼,发现它们在飞行中展开翅膀向上偏折翅尖羽毛以减小阻力,从而实现远距离滑翔。受此启发,有专家提出在翼尖加装短板来减小诱导阻力的想法。后来,设计师们不断研究,发明了翼尖小翼,并将其安装在运输飞机上,以减小飞机的阻力。

3、机翼表面

        海鸟可以通过喙部察觉出空气中的阵风荷载量(Gust Load),并通过调节翅膀的形状抑制升力。运用此原理,新型的空客A350 XWB通过安装在机头的探测器可以检测风力并利用其可移动的机翼表面提高飞行效率。此设计可以进一步节能减排。

         人类从鸟类的外形和飞行原理受到启发后,不断研究飞行器的起降、滚转、偏航,以及在空气中遇到很多其他问题,如飞行器机翼的振动、机翼机身材质、发动机、气动噪声等问题。下面是早期飞行器模型:

三、近代飞行器

总结早期飞行器的设计和飞行经验,不断改进飞行器的设计,经过不断的努力,现代飞行器的设计技术逐渐成熟,可以根据飞行器的用途设计出不同的气动外形,使飞行器有稳定的飞行性能。飞行器的气动外形种类有:平直机翼、后掠翼、无尾翼、三翼面和前掠翼等;

1、平直机翼

平直机翼

2、后掠翼

后掠翼

3、无尾翼

无尾翼

4、三翼面

三翼面

5、前掠翼

前掠翼

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