信天翁教你飞得更久

黄天翎

哪种鸟，被认为是动物界最有效率的旅行者之一，可以在一天内飞行800千米，仅需要偶尔扇动一下它们的大翅膀？没错，答案就是信天翁。

向马拉松式飞行能手学习

信天翁是一种非常大的海鸟，其中漂泊信天翁是体型最大的一种信天翁，其翼展平均可达3.1米，也是现存鸟类中翼展最大的。它能在一次旅程中飞行1.6万千米。人们不禁要问：它们为什么能完成如此长距离的飞行？

原来，巨大的翼展赋予它乘风滑翔的能力，其飞行轨迹就像一架云霄飞车的路线，它反复在空中向上攀升和向下滑翔——这是一种被称为动力翱翔的飞行技巧。这种情况下鸟儿只需把翅膀伸展开来，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，人们要到达那里非常困难，需经历各种大风大浪。但该地区对于了解气候变化又非常重要。若有了能够利用风能的机器人，就可以实时监测并得到比现在更密集的数据。所以有科学家开始把目光投向信天翁，希望能从它的身上学到具体最佳的长途飞行模式。

模拟信天翁的飞行模式

著名的英国物理学家瑞利勋爵是第一个通过数学建模描述动力翱翔的人，他预测信天翁会飞出一系列呈180度半圆形的弧线轨迹，因为它们需要迎风攀升，然后俯冲到低风层，以获得飞行的动力。即使在今天，这也是一种普遍的解释。

然而最近，美国麻省理工学院的科学家们开发出一种新的模型来模拟动力翱翔，却得出了一个截然不同的结论。该团队首先对风场进行建模，绘制了一个相对简单的方程，由于随着高度不同，风的速度也不同，因而会形成不同的层。所以他们特别注意一层慢风和一层快风之间的距离，这个距离称之为剪切层的厚度。

然后他们用一个三维模型来代表信天翁或滑翔机的飞行，他们发现，在较薄的剪切层，鸟只需较少的风即可保持空中的飞行。换句话说，慢风层和快风层越近，信天翁在空中停留所需的能量就越少。

信天翁先是飞到快风层，借助风力进行滑翔，这时重力会使它不断降低高度。当它落入风速较为缓和的慢风区后，它就要调整身体，依靠惯性朝上攀升，再次进入快风区，然后进行下一个飞行循环。研究人员的模拟发现，它这一上一下形成的飞行弧度如果是浅弧形时，它的飞行效率会更高。虽然若是半圆弧形时它在下落时会获得较大的飛行速度，但是紧接着上升时也更难攀升。采取浅弧形的飞行轨迹会更有利于它节省体力。

该团队计算出最节能的飞行轨迹是在极浅的弧线上飞行，为了确定这些模拟结果是否符合实际，他们将其与GPS记录仪中所记录的信天翁飞行轨迹进行了比较。这些记录显示，这些鸟儿的飞行轨迹平均为60度左右的浅弧形，确实比大多数科学家认为的180度要浅得多。

所以，如果想设计出使用风能的机器人，沿着浅弧线前进，既有利于旅行速度，也有利于高效的能量获取。事实证明，信天翁就是这么做的。

翅膀的颜色也很关键

另一方面，美国新墨西哥州立大学的一个航空航天工程师团队在试图改进海军陆战队的无人机设计时，无意中注意到像信天翁一样的大型海鸟，大多都是翅膀上方是黑色羽毛，而下方则是白色的，科学家相信，它有这样的选择必然有它的道理。

其实这种上黑下白的翅膀颜色科学家们之前早就注意到了，只是鸟类学家认为这种颜色图案是一种伪装，白色能更好地与天空融为一体，这样就减少了地面上的捕食者发现这些翱翔鸟儿的几率。不过这个研究团队怀疑事情并没有那么简单，他们推测，这种颜色模式可能对海鸟的滑翔飞行也大有益处。

于是，他们研究了阳光和翅膀表面的颜色是如何相互影响的。结果发现黑色的上翼面比白色上翼面更能吸收阳光，事实上，黑色的上翼面与白色的下翼面相比会有高达10℃的温差。温度越高，空气流速越快，所以压力变小。因此产生了额外的升力。这对于这些大型海鸟来说，特别是在进行长距离飞行的时候，会减少能量的消耗，因而使它们具有更好的飞行耐力。

在无人驾驶飞行器上的模拟表明，黑色确实可以减少飞行的阻力，这些更适合于无人机，而不是飞机，因为无人机的大小更接近候鸟。减阻意味着更少的燃料消耗，这也意味着电池可以持续更长的时间，这可以使无人机可以执行更长的、不间断的任务，几乎就像一只能够轻松在地球两端翱翔的信天翁。

这两个研究小组的成果都可能会对无人机的未来产生重大影响。相信不久的将来，我们会看到可以比肩，甚至是超越信天翁的风力驱动无人机，在全球偏远地区替我们执行长时间的远程监测任务。