飞行的起源：从鸟类到昆虫再到飞机

当莱特兄弟于 1903 年飞上天空时，他们已是后来者——昆虫早已在空中飞舞了 3.25 亿年。但在短短一个多世纪里，我们这个物种已经远远弥补了其陆地起源的不足，造访了太阳系中的每一颗行星，甚至进入了星际空间。

始祖鸟的飞行

查尔斯·达尔文出版《物种起源》两年后，一种恐龙和鸟类之间的“缺失环节”的发现，为进化论带来了意外的声望提升。

这块发现于德国南部的、拥有 1.5 亿年历史的“始祖鸟”化石，结合了爬行动物和鸟类的特征。过去一个半世纪以来，科学家们一直在争论它是否能够飞行。

强大的 X 射线帮助研究人员开始拼凑这个谜团。法国欧洲同步辐射装置的一组物理学家和古生物学家使用一种称为微断层扫描的技术，制作了该生物骨骼结构的 3D 模型。研究小组发现了有力地暗示着动力飞行的适应性特征，但其解剖结构表明，翅膀的运动方式一定是奇怪的，更像是游泳者划水时的蝶泳，而不是任何现代鸟类的运动方式。这张效果图展示了最可能的飞行模式。

昆虫与飞行的起源

昆虫几乎遍布地球上所有七大洲的每一个生态位，是地球上最成功的动物类别。但这并非一直如此。回溯到 3.85 亿年前，你就会发现最早的昆虫化石记录。下一批昆虫出现在整整 6000 万年后——数量突然且极其丰富。去年，斯坦福大学的研究人员为这种数量爆炸提供了解释：飞行的进化。

第二波出现的昆虫拥有翅膀，这是一种前所未有的附属器官，使它们能够躲避捕食者并获取高处树木中的新食物来源。这是所有进化突破中最伟大的成就之一——脊椎动物直到 9000 万年后才赶上。

轻如羽毛

蜂鸟与军舰鸟：鸟类飞行的两个极端

军舰鸟可以飞越海洋。蜂鸟可以在任何方向悬停和转弯。尽管两者都有翅膀和羽毛，并且拥有近期的共同祖先，但它们飞行的方式却截然不同。这种分化揭示了它们各自如何完美地适应其生态位。

蜂鸟：蜂鸟可以像昆虫一样小——体型并非唯一的相似之处。普通鸟类只能依靠翅膀的下拍升空，而昆虫和蜂鸟则在两个方向上产生升力。这种能力是它们不寻常的鸟类解剖结构的产物，拥有增大的上拍肌肉，并且能够翻转翅膀，以惊人的每秒 80 次拍打的速度提供动力。

军舰鸟：军舰鸟翼展超过 6 英尺，体重不到 4 磅，天生适合滑翔。它可以利用积云下方的上升气流，螺旋上升到比某些飞机更高的海拔，并在不拍打翅膀的情况下乘风飞行超过 30 英里。研究人员观察到军舰鸟在空中停留数月而不着陆。这些耐力型飞行者甚至在飞行中睡觉，每次只睡 10 秒，加起来每天有 40 分钟的充足休息。

蒲公英种子的奇特涡流

蒲公英种子不应该能够飞那么远——但它们确实能。将种子带入气流的伞状结构由细丝组成，而且是“漏风”的。直到最近，科学家们才弄清楚，这种“漏风”是蒲公英实现长距离无动力飞行成功的秘诀。当空气通过冠毛——这是这种有毛结构的专业名称——时，它会产生一个微型飓风般的涡流，而上升气流提供了少量的升力。结合其他气流方面的因素，这种所谓的“分离涡环”使得冠毛的飞行性能比降落伞强四倍，确保蒲公英能在有草坪的地方继续生长。

人类飞行的重要时刻

• 1486 年：列奥纳多·达·芬奇设计了一种“扑翼机”，该设计基于他对鸟类和蝙蝠的观察，旨在通过拍打大型人造翅膀赋予人类飞行的能力。如果列奥纳多建造了一个并尝试了一下，他将永远无法离开地面。

• 1783 年：蒙特哥尔菲尔兄弟通过发射一只载有两人的热气球，展示了首次持续的人类飞行。为了确保高层大气能够支持生命，发明者首先放飞了一只绵羊、一只鸭子和一只公鸡。

• 1809 年：乔治·凯利出版了《空中航行学》，这是第一部关于航空工程的严肃著作。基于他对滑翔机的实验，凯利发展了最终导致飞机的物理学原理。

• 1903 年：莱特兄弟发明了飞机，实现了首架载人动力、比空气重的飞行器的飞行。莱特飞行器，一架小型双翼飞机，配有两台发动机驱动的螺旋桨，历史性地飞行了 12 秒。兄弟俩运用了自那时以来的所有飞机都遵循的物理原理，平衡了两个相反的力。

• 1930 年：弗兰克·惠特尔为第一台喷气发动机申请了专利。它通过点燃压缩气体产生向前推力来驱动飞机。英国皇家空军最初拒绝了他的想法，但在德国在第二次世界大战中部署了自己的喷气式飞机后，才改变了主意。

• 1936 年：埃瓦尔德·罗尔夫斯展示了福克-沃尔夫 Fa 61，一款早期功能齐全的直升机。它的两个旋翼向相反方向旋转，使其能够垂直起降、向前和向后飞行，以及悬停。

• 1957 年：苏联发射了第一颗人造卫星斯普特尼克 1 号。斯普特尼克 1 号被安装在一枚改装过的洲际弹道导弹上发射入近地轨道，在冷战高峰期展示了苏联的技术实力。

• 1969 年：尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林成为首批登陆月球的人类。在乘坐计算机控制的火箭进入月球轨道后，他们乘坐阿姆斯特朗手动驾驶的飞船下降。

• 1976 年：“维京 1 号”和“维京 2 号”登陆火星。为防止潜在污染，这两台着陆器在发射前进行了 40 小时的热灭菌处理，确保首次成功登陆火星不会用地球微生物污染这颗红色星球。

• 2000 年：宇航员比尔·谢泼德以及俄罗斯宇航员尤里·吉岑科和谢尔盖·克里卡列夫成为国际空间站的首批居民。如今，经过扩建，它是地球以外建造的最大设施。

• 2012 年：“旅行者 1 号”成为首个进入星际空间的人造物体。该 NASA 探测器于 1977 年发射，由比智能手机简单得多的计算机导航，现在距离卡纳维拉尔角已超过 130 亿英里。

构想实用的个人飞行器

这听起来很简单，但却绝非如此：设计一款个人飞行器。使其安静安全，能够近乎垂直起降，并且足够高效，无需充电即可运载飞行员飞行 20 英里。并且不要忘了它的刺激性。波音公司，这家以制造飞机而闻名的主要航空航天公司，抱着这些要求，

启动了个人飞行时代。其 GoFly 竞赛的第一轮吸引了来自约 30 个国家的 600 多名参赛者。以下是三位一等奖获得者的设想，他们将建造自己的飞行器并在今年秋季的飞行比赛中一决高下。

火星上的直升机

火星上的空气只有地球大气层厚度的百分之一。即使在地面上，其密度也远不及你在珠穆朗玛峰顶遇到的密度。因此，当 NASA 决定在即将到来的“火星 2020”任务中携带一架无人机时，喷气推进实验室不得不设计一种与地球上任何飞行器都不同的直升机。为了稳定，两个反向旋转的旋翼每分钟转速高达 2,800 转，是普通直升机的 10 倍。它们也比通常的更大、更硬，每个翼展为 4 英尺，完全压倒了下方的 5 英寸立方体，这个立方体也非常特别。这个机身装满了可充电的锂离子电池，不仅为两个强大的旋翼提供动力，还在夜间温度降至零下 130 华氏度时为无人机的电子设备提供热量。然而，在火星上飞行无人机最具挑战性的部分与温度或大气无关——而是与地球的距离。由于在两个行星之间传递无线电信号至少需要四分钟，这架无人机必须基本上是自主的——能够独立、完美地飞行，飞越人类从未遇到过的地形。

气球蜘蛛的电力飞行

去年，布里斯托大学的科学家们用电使蜘蛛悬浮起来。这项实验旨在解决自然界的一大谜团：某些蜘蛛物种如何在没有翅膀的帮助下，飞升数英里，并横跨陆地和海洋飞行数百英里。“气球蜘蛛”在升空前会挤出长长的丝线。没有人能弄清楚这些细丝是如何捕捉到足够风来将这些昆虫带走的。

因此，科学家们提出了一个替代假说：蜘蛛是沿着地球和天空之间的电梯度上升的。（地球带负电，大气带正电。在雷暴条件下，这种差异足以产生闪电，但某种电荷始终存在。）布里斯托大学的实验成功地证明了蜘蛛丝的负电荷足以使蜘蛛避开脚下的带负电的地表——并表明当蜘蛛感觉到电梯度增加时，它们实际上就开始挤出丝线。

离子风的飞行

早在 1928 年，英国皇室就授予了托马斯·汤森·布朗一项反重力装置的专利，该装置有望彻底改变飞行。他的发明基于这样的观察：一对高压电线会对周围环境施加物理力。去年，这项技术终于被一种全新的飞行器所应用。由麻省理工学院的工程师开发的这款无人机没有活动部件，由电池供电。

布朗观察到的力现在被称为离子风。为了产生它，一个带正电的电极会剥离空气中氮原子的电子，留下带正电的离子，这些离子会被短距离后的带负电的电极吸引。当离子移动时，它们会与空气分子碰撞，这些碰撞总的来说会产生一股推动电极前进的力。

为了将离子风应用于飞行，麻省理工学院的研究人员在无人机的机翼下方安装了电极对，取代了通常的螺旋桨。通过将电线充电到惊人的 40,000 伏特，他们产生了足够的推力，使他们的实验飞机飞过了麻省理工学院的体育馆。

要实现有意义的载荷和长距离飞行还需要更多的工程，但这次飞行已经让这架无人机与莱特飞行器相媲美。离子驱动飞机几乎无声无息，而且不需要汽油，有潜力抵消航空运输的一些最大环境影响，以布朗可能几乎不敢想象的方式彻底改变飞行。

是什么让蝙蝠飞行如此特别？

为了在夜间捕食后栖息，蝙蝠会完成一项没有任何鸟类或昆虫掌握的特技：它们会在空中翻转，用爪子抓住树枝。这要归功于它们独特的灵活翅膀结构。鸟类和昆虫的翅膀相当僵硬，类似于飞机，而蝙蝠则拥有多关节的蹼状手，并且蹼是肌肉发达的。高速摄像显示，它们可以在飞行中控制翅膀的形状和刚度，使它们能够达到任何脊椎动物的最高空速，并能静止悬停。人类正试图追赶，建造拥有模仿蝙蝠形态的软翼的飞机。工程师们希望更好地理解蝙蝠的飞行，更自由地操纵无人机，也许还能给鸟类和蜜蜂留下深刻印象。