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“中国人能飞”!人要多长的翅膀才能飞?要怎么飞?

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相信大家最近都知道了那火爆全网的模因——中国人能飞!


揽佬节目 来源:哔哩哔哩

这句来自广东惠州说唱歌手揽佬的freestyle,让听者从第一遍的“这是什么?”到“好怪,再听一遍”再到“哦哦哦中国人能飞!”

这句看似无厘头的话,却解释了不少神秘的未知现象,让人不得不感慨这句话真好用。


来源:哔哩哔哩

那么,人真的能飞吗?如果不考虑飞机、火箭等交通器具,仅凭人类自己,要怎么才能飞得起来呢?

#01

!?飞飞?!

给人类装上翅膀?


提到自然界的飞翔,人们最先想到的便是像鸟儿一样展翅飞翔吧。早在古希腊神话中,便有为了逃离迷宫而尝试飞翔的伊卡洛斯,他和父亲用羽毛与蜡制作翅膀,勇敢起飞脱离困境,却因对太阳的追逐而陨落。


那么假如人真的能依靠煽动双臂(翅膀)起飞,需要多大的翅膀呢?

动物飞行研究者Hedrick认为,一个70kg的人,如果能拥有类似于飞行动物的身体结构,其翼展大约需要6米。这个结论并非考虑空气动力,而是通过对鸟类的质量-翼展规律得出的:

其中,b是翼展,M是动物体重,k是根据鸟类数据拟合出的比例系数,a是尺度指数。研究者通过对不同的鸟类研究发现,鸟类翼展大约与体重的0.35~0.39次方成正比。

把这鸟类的经验公式延伸到70kg,就能得到大约6米的人类翼展。


但问题也显而易见,这个计算只是把人按照鸟类的身体比例放大,所得到的翅膀形态长度。它并没有考虑翅膀面积、飞行速度,以及人类能不能扇得动这差不多一辆停车位那么长的翅膀。

若要从力学角度判断翅膀能不能托住人,则需要用升力方程:

其中,L是翅膀产生的升力,ρ是空气密度,V是翅膀相对于空气的速度,S是左右翅膀的投影总面积,CL是升力系数,反映翼型和迎角把气流转化为升力的能力,并不是一个永远不变的常数。

如果人保持平飞,升力至少需要和总重量相等,即:

这里的m不是单独的人体质量,而应当包括人体、翅膀、骨架和传动装置的总质量。

联立两个式子,可以得到所需翼面积:

若以70千克的人为例,暂时假设翅膀没有重量,取海平面空气密度1.225 kg/m3,升力系数取1,就可以计算出在不同翅膀速度下的所需的翅膀面积。如果以10 m/s速度飞行,所需展翼面积为11.2平方米;如果速度提高到15 m/s,所需面积就下降到约5平方米。当速度提高到原来的1.5倍,所需面积可以下降到原来的约44%,因此“翅膀大小”也同时取决于飞行速度。


小撒

翼展和面积之间还取决于翅膀的长宽比例,即展弦比:

其中AR是展弦比,b是总翼展,S是总翼面积。假设人类翅膀采用AR=8的中等展弦比,5平方米的翼面对应6.3m的翼展。也就是说,6米翅膀在纯空气动力学意义上并非完全不可能托住一个70kg的人,前提是他已经获得了15m/s的空速。

补充一点,这里的翅膀相对空气的速度指的是像飞机机翼一样的水平移动速度,放在真正上下拍动的翅膀上,将会更加复杂,需要考虑翅膀扇动的局部速度、周围气流的流动等等的矢量和,将会更加复杂。这里我们只讨论了一个理论上过于简略的模型。

如果考虑扑翼的过程,MIT的航空工程教授Mark Drela认为,翼展需要至少80英尺左右,约24米,而且翅膀自身必须显著地比人轻。哪怕如此,这翅膀仍不是人的胸部和上肢肌肉能够驱动的,人腿倒理论上有可能能驱动翅膀。

这也引入了下一个问题——用升力方程计算出来的速度,要如何从0开始起飞、加速?

飞机依靠发动机和螺旋桨产生推力,鸟类则用翅膀完成两个任务:向下推动空气以支撑体重、向后推动空气以克服阻力。


中国鸟能飞

把翅膀做得更长、更窄,可以降低阻力,让有限的肌肉功率得到更有效的利用;但翅膀越长,翼根所承受的弯矩越大,反复扑动时也越难加速和制动。空气动力学上,人们需要更长更大的翅膀;而人的肌肉和骨骼却难以驱动巨大的长翼。

这也是鸟和人的区别了——身体差异。鸟类的胸大肌决定了翅膀下扑功率,肌肉并非附着在手臂附近,而是附着在具有龙骨突的胸骨上;喙上肌则通过类似滑轮的肌腱路径抬起翅膀。坚硬的胸骨、乌喙骨和肩带共同把两翼产生的载荷传入躯干。


而人类上肢并非为飞行所设计,胸骨上没有龙骨突、肩带无法持续扑翼。所以,如果要真正成为能飞之人,只多出两对翅膀是远远不够的,胸骨、肩带、肌肉比例、呼吸循环系统乃至起飞姿势都要随之改变。那样的人应该会拥有非常强壮的胸肌和背肌、更强韧的胸骨和肩带,以及能为持续高功率肌肉提供氧气的呼吸与循环系统。

对于以人力驱动的翅膀,我们在这里可以看一个现实的例子。

多伦多大学的Snowbird是一件真正实现过受控人力扑翼飞行的飞行器,它的总质量约114千克,翼展32米,翼面积29.6平方米,飞行速度约25.6km/h,扑翼频率只有0.65Hz。这个翼展大小,相当于一架波音737或者空客A320的翼展,比十层楼倒下来还长。


Snowbird人工扑翼机工程图

之所以它采用如此大的翼展,是为了将翼载荷和阻力压到很低,让人体短时间输出的功率足以维持飞行。但Snowbird并不是大家想象中的“手化翅膀之人”,而是一个“飞天自行车",飞行员用脚做蹬伸运动,采用更强的下肢力量代替手羽,通过滑轮和钢索驱动翼梁。飞机还要先由汽车牵引升空,脱离牵引后才飞行了145米。


Snowbird示意图


飞行过程中翅膀扇动示意

其实,早在Snowbird之前22年,人类就已经只靠肌肉飞过了115.11千米。1988年,翼展约34米、空重仅31千克的deadalus 88,在希腊自行车运动员的猛蹬下飞行了3小时54分59秒。不过deadalus的机翼不需要扑动,只是产生升力的固定翼,推力则来源于腿部蹬踏驱动的螺旋桨,这个设计把飞机所需功率压缩到优秀自行车运动员能够输出的范围,但设计上更像一台“用腿驱动的飞机”,而不是snowbird那样一双“用腿驱动的翅膀”。


Deadalus示意图

回到开头的问题,如果我们只是问“多大的翼面能产生足够的升力”,答案可能是6米;但如果是问“人类能否靠自己的肌肉驱动翅膀”,现实中成功的答案接近32米,而且那副翅膀属于一架飞机,而不是长在人身上。人不是没有足够的肌肉力量飞行,但人的身体并非一台扑翼结构,直接把翅膀装到身体上,大概只是沉重的负担。

或者是一种cosplay。


#02

!?飞飞?!

用翅膀滑翔如何?


如果我们不要求能飞的人越飞越高,而是能接受不断下降,那么翼装飞行是相对上文更大众的一种”飞“法。人们只需要在四肢之间增加几平方米织物,就能让自由落体变成向前滑翔。

翼装飞行:有翅膀,在空中,是飞!


现代翼装采用双层织物结构,前端开有进气口,高速气流进入内部气室后,略高的内部压力使得织物鼓起,形成具有一定厚度和弯曲度的翼面;双臂和躯干之间构成两侧翼,两腿之间的织物则作为尾翼。飞行者的手臂、腿和身体既作为支撑结构,也是整个气动外形的一部分。

翼装飞行没有动力产生,而是将重力势能转化为了向前滑翔的能量。它产生的升力使运动轨迹从竖直方向偏向水平方向,飞行者用持续损失高度的方式换取前进距离。衡量这种交换效率的关键指标是升阻比:

水 平 速 度 下 降 速 度 水 平 距 离 损 失 高 度

其中,L是升力,D是阻力。在无风且稳定直线滑翔的理想情况下,如果翼装飞行的升阻比是2,就相当于飞行者没下降100米,理论上可以向前滑行约200米。

翼装飞行是一项非常危险的极限运动,飞行者通过改变手臂、腿和躯干姿势,同时调整翼面面积、弯度、迎角和身体迎风面积。身体左右不对称可以产生滚转和转向,姿势的改变可以在下降和滑翔之间切换。身体姿势和迎角的细微变化,就会明显改变翼装的升力与阻力。


翼装上的压力等值线和不同角度下水平位置的3D流线

与翅膀不同的是,翼装飞行的翼面并不是越大越好。研究者在风洞实验中发现,扩大翼装头部和手臂之间的面积确实能产生更多的升力,但阻力也随之增加,甚至增加的更多,导致升阻比反而下降。翼装追求的并不是最大的升力,而是在足够升力与尽可能小的阻力之间找到平衡。


翼装飞行者在风洞实验中处于不同位置

小编在高温假期间去了天门山,了解了在天门山上举办的翼装飞行赛事,也震撼于极限运动爱好者的勇气。这里的世锦赛起跳点位于海拔1458米的玉壶峰,起跳点与降落点垂直落差990米,选手需要在约1.3公里的空中线路上完成转弯、穿越旗门或精准穿靶。2024年的穿靶赛中,悬在山隙间的靶标外径仅0.8米,靶心直径只有10厘米。

在天门山通天大道第82道弯,还立着一座名为“天门之鹰”的铜像。它展开双翼,面向群山,纪念着那些曾在这里飞翔、后来却永远离开天空的翼装飞行员。勇气让人迈出悬崖,梦想让人渴望飞翔;但真正值得敬重的,也包括对训练、判断与风险始终不曾放下的敬畏。


#03

!?飞飞?!

把空气踩于脚下?


翼装飞行虽然无需动力,但它并没有真正解决起飞的问题。如果人们想cosplay钢铁侠,能从地面升起、悬停并自主降落,就得主动提供向上的推力。

个人飞行器正是为了解决这一痛点而发明的,它能持续把空气向下推动,再利用空气的反作用力把人托起来,使得人能维持人形飞起来。

影响推力的因素包括单位时间向下推动的空气质量,和空气被加速的程度。所以个人飞行器也有两种设计,第一种是用大旋翼推动大量空气,只让空气缓慢下降;第二种是用小型喷气发动机推动较少空气,却让他高速喷出。

大旋翼慢空气


20世纪50年代的HZ-1 Aerocycle单人直升机,将两幅直径约4.6米的旋翼直接放在飞行器脚下,虽然实现了飞行,但操纵困难、稳定性差,项目最终被放弃。


Omni悬浮滑板作为它的现代优化版本,同样让人站在多副螺旋桨上方,只是用分散的小螺旋桨代替一副巨型旋翼。其续航时间15min,最高高度20m,飞行距离约0.28km。


可穿戴快喷气


另一种个人飞行器的发展方向,则是规避了大旋翼所必需的体积,转而使用小型涡轮喷气发动机,让飞行器真正变成可穿戴设备。

喷气动力板Zapata Flyboard Air由数个微型涡轮喷气发动机提供动力,续航时间10min,续航里程约20km,最高高度3km。


飞行背包JetPack Aviation的JB11使用六台较小的发动机,并通过发动机管理系统调节各台推力,其飞行时间8min,飞行高度可达4.6km,续航里程16km。


飞行背包Gravity Jet Suit的设计更特别:主要发动机安装在背部和双臂,飞行员移动手臂便能改变推力方向。其飞行时间10min,飞行高度约3.6km,续航里程19km。


这些设备之所以能缩小到穿戴尺度,是因为涡轮发动机把空气加速到了极高速度。但高速尾流携带的动能很大,其悬停效率往往较差,同时伴随着剧烈噪声、高温尾焰和很大的燃料消耗。所以现在仍没有办法大面积推广。


回头看,人类尝试飞行的路线已经和鸟相去甚远。给身体装上翅膀会受限于肌肉和骨骼结构;穿上翼装能够滑翔,却必须不断消耗高度;把旋翼或喷气发动机穿在身上,能从地面升起的代价是噪声和燃料消耗。

但不管是哪种“飞”,要获得向上的力,都得用某种方式把空气推向下方。鸟用胸肌和羽翼,人力扑翼用双腿和螺旋桨,翼装用重力势能做交换,喷气背包则用燃料制造高速气流。

这些飞行器距离日常交通还很远,但人类至少已经把“飞”从一种愿望,变成一个可以推进的工程问题。

《中国人能飞》里唱的,或许不只是一项已经掌握的本领,也包括这种翱翔九天的愿望。至于这种愿望从何而来,鲁迅先生在《谈蝙蝠》里早有一句:

“是中国人本来愿意自己能飞的。”

参考资料

[1]https://www.livescience.com/health/if-humans-could-fly-how-big-would-our-wings-be

Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2011 May 27;366(1570):1496–1506.

[2]https://www.aerovelo.com/snowbird-technical-info

[3]https://www.nasa.gov/image-article/daedalus-human-powered-aircraft-2/

[4]Ansari, N.; Krzywinski, S.; Fröhlich, J. Towards a Combined CAD and CFD Development Process of a Wingsuit.Proceedings 2018, 2, 228.

[5]


编辑:花卷

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