信天翁教你飛得更久

黃天翎

哪種鳥，被認為是動物界最有效率的旅行者之一，可以在一天內(nèi)飛行800千米，僅需要偶爾扇動一下它們的大翅膀？沒錯，答案就是信天翁。

向馬拉松式飛行能手學(xué)習(xí)

信天翁是一種非常大的海鳥，其中漂泊信天翁是體型最大的一種信天翁，其翼展平均可達3.1米，也是現(xiàn)存鳥類中翼展最大的。它能在一次旅程中飛行1.6萬千米。人們不禁要問：它們?yōu)槭裁茨芡瓿扇绱碎L距離的飛行？

原來，巨大的翼展賦予它乘風(fēng)滑翔的能力，其飛行軌跡就像一架云霄飛車的路線，它反復(fù)在空中向上攀升和向下滑翔——這是一種被稱為動力翱翔的飛行技巧。這種情況下鳥兒只需把翅膀伸展開來，就可以停留在空中。

由于漂泊信天翁生活在并不出名的南冰洋，人們要到達那里非常困難，需經(jīng)歷各種大風(fēng)大浪。但該地區(qū)對于了解氣候變化又非常重要。若有了能夠利用風(fēng)能的機器人，就可以實時監(jiān)測并得到比現(xiàn)在更密集的數(shù)據(jù)。所以有科學(xué)家開始把目光投向信天翁，希望能從它的身上學(xué)到具體最佳的長途飛行模式。

模擬信天翁的飛行模式

著名的英國物理學(xué)家瑞利勛爵是第一個通過數(shù)學(xué)建模描述動力翱翔的人，他預(yù)測信天翁會飛出一系列呈180度半圓形的弧線軌跡，因為它們需要迎風(fēng)攀升，然后俯沖到低風(fēng)層，以獲得飛行的動力。即使在今天，這也是一種普遍的解釋。

然而最近，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們開發(fā)出一種新的模型來模擬動力翱翔，卻得出了一個截然不同的結(jié)論。該團隊首先對風(fēng)場進行建模，繪制了一個相對簡單的方程，由于隨著高度不同，風(fēng)的速度也不同，因而會形成不同的層。所以他們特別注意一層慢風(fēng)和一層快風(fēng)之間的距離，這個距離稱之為剪切層的厚度。

然后他們用一個三維模型來代表信天翁或滑翔機的飛行，他們發(fā)現(xiàn)，在較薄的剪切層，鳥只需較少的風(fēng)即可保持空中的飛行。換句話說，慢風(fēng)層和快風(fēng)層越近，信天翁在空中停留所需的能量就越少。

信天翁先是飛到快風(fēng)層，借助風(fēng)力進行滑翔，這時重力會使它不斷降低高度。當(dāng)它落入風(fēng)速較為緩和的慢風(fēng)區(qū)后，它就要調(diào)整身體，依靠慣性朝上攀升，再次進入快風(fēng)區(qū)，然后進行下一個飛行循環(huán)。研究人員的模擬發(fā)現(xiàn)，它這一上一下形成的飛行弧度如果是淺弧形時，它的飛行效率會更高。雖然若是半圓弧形時它在下落時會獲得較大的飛行速度，但是緊接著上升時也更難攀升。采取淺弧形的飛行軌跡會更有利于它節(jié)省體力。

該團隊計算出最節(jié)能的飛行軌跡是在極淺的弧線上飛行，為了確定這些模擬結(jié)果是否符合實際，他們將其與GPS記錄儀中所記錄的信天翁飛行軌跡進行了比較。這些記錄顯示，這些鳥兒的飛行軌跡平均為60度左右的淺弧形，確實比大多數(shù)科學(xué)家認為的180度要淺得多。

所以，如果想設(shè)計出使用風(fēng)能的機器人，沿著淺弧線前進，既有利于旅行速度，也有利于高效的能量獲取。事實證明，信天翁就是這么做的。

翅膀的顏色也很關(guān)鍵

另一方面，美國新墨西哥州立大學(xué)的一個航空航天工程師團隊在試圖改進海軍陸戰(zhàn)隊的無人機設(shè)計時，無意中注意到像信天翁一樣的大型海鳥，大多都是翅膀上方是黑色羽毛，而下方則是白色的，科學(xué)家相信，它有這樣的選擇必然有它的道理。

其實這種上黑下白的翅膀顏色科學(xué)家們之前早就注意到了，只是鳥類學(xué)家認為這種顏色圖案是一種偽裝，白色能更好地與天空融為一體，這樣就減少了地面上的捕食者發(fā)現(xiàn)這些翱翔鳥兒的幾率。不過這個研究團隊?wèi)岩墒虑椴]有那么簡單，他們推測，這種顏色模式可能對海鳥的滑翔飛行也大有益處。

于是，他們研究了陽光和翅膀表面的顏色是如何相互影響的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑色的上翼面比白色上翼面更能吸收陽光，事實上，黑色的上翼面與白色的下翼面相比會有高達10℃的溫差。溫度越高，空氣流速越快，所以壓力變小。因此產(chǎn)生了額外的升力。這對于這些大型海鳥來說，特別是在進行長距離飛行的時候，會減少能量的消耗，因而使它們具有更好的飛行耐力。

在無人駕駛飛行器上的模擬表明，黑色確實可以減少飛行的阻力，這些更適合于無人機，而不是飛機，因為無人機的大小更接近候鳥。減阻意味著更少的燃料消耗，這也意味著電池可以持續(xù)更長的時間，這可以使無人機可以執(zhí)行更長的、不間斷的任務(wù)，幾乎就像一只能夠輕松在地球兩端翱翔的信天翁。

這兩個研究小組的成果都可能會對無人機的未來產(chǎn)生重大影響。相信不久的將來，我們會看到可以比肩，甚至是超越信天翁的風(fēng)力驅(qū)動無人機，在全球偏遠地區(qū)替我們執(zhí)行長時間的遠程監(jiān)測任務(wù)。