向馬拉松式飛行能手學習
信天翁是一種非常大的海鳥，其中漂泊信天翁是最大的信天翁，平均翼展3.1米，是現(xiàn)存鳥類中翼展最大的。它一次遷徙能飛16000公里。人們不禁要問：為什么信天翁能完成這么長距離的飛行？
原來，巨大的翼展賦予了它在風中滑行的能力，它的飛行軌跡就像過山車路線一樣，它在空中反復上下攀爬——這種飛行技巧被稱為“動力飛行”。在這種情況下，鳥類只需張開翅膀就可以在空中停留。
由于信天翁生活在未知的北冰洋附近，人們很難到達那里，但是，理解這一地區(qū)的氣候變化也很重要。有了可以利用風力的機器人，它們可以實時監(jiān)控和獲取比現(xiàn)在更密集的數(shù)據(jù)。因此，科學家利用機器人開始研究信天翁，希望從中學習最佳的長途飛行模式。
02模擬信天翁的飛行模式
英國著名物理學家萊利勛爵是第一個用數(shù)學模型描述飛行效率的人。他預(yù)測信天翁會以180度半圈的方式飛出一系列弧形路徑，因為它們需要逆風爬升，然后潛入較低的風層以獲得飛行的動力。即使在今天，這也是一種常見的解釋。
但最近，麻省理工學院的科學家們開發(fā)了一種新的模型來模擬功率飆升，但得出了不同的結(jié)論。研究小組首先對風場進行了建模，并繪制了一個相對簡單的方程。由于高度不同，風速不同，所以會形成不同的層。所以他們特別注意慢風和快風層之間的距離，也就是說剪切層的厚度。
然后他們用一個三維模型來表示信天翁或滑翔機的飛行，他們發(fā)現(xiàn)在較薄的剪切層中，鳥類只需要較少的風來保持飛行。換句話說，慢風層和快風層越近，信天翁在空中停留所需的能量就越少。
信天翁首先飛到大風層，在風的幫助下滑翔，重力會把它壓低。當它落入風速相對適中的慢風區(qū)時，它會調(diào)整身體，以慣性向上爬升，再次進入快風區(qū)，然后進行下一個飛行周期。研究人員的模擬發(fā)現(xiàn)，如果上述曲線形成的弧較淺，則效率會更高。雖然半圓弧下落時飛行速度較快，但上升時爬升難度較大。為了節(jié)約能源，最好采用淺弧軌跡。
研究小組計算出最節(jié)能的飛行軌跡是在非常淺的弧線上飛行。為了確定模擬結(jié)果是否符合實際，他們將模擬結(jié)果與GPS記錄器記錄的信天翁飛行軌跡進行了比較。記錄顯示，這些鳥的飛行軌跡平均約為60度，呈淺弧度，比大多數(shù)科學家認為的180度要淺得多。
因此，設(shè)計師用這一原理設(shè)計出了一種能利用風能飛行的“飛行機器人”，這種設(shè)計不僅有利于提高機器人的飛行速度，而且有利于機器人沿淺弧運動時能量的有效獲取。
03翅膀的顏色也很關(guān)鍵
另一方面，新墨西哥州州立大學的一個航空航天工程師團隊在試圖改進無人機設(shè)計時，無意中發(fā)現(xiàn)像信天翁這樣的大型海鳥翅膀上方大多是黑色羽毛，而翅膀下方則是白色羽毛。科學家認為，這樣的選擇一定是有道理的。
事實上，研究黑白翅膀顏色的科學家以前就注意到了。但鳥類學家認為，這種顏色圖案是一種偽裝，白色可以更好地與天空融為一體，這就減少了地面食肉動物發(fā)現(xiàn)這些飛鳥的機會。但是研究小組懷疑事情并不是那么簡單，他們推測這種顏色模式可能也有利于海鳥滑行。
所以他們研究了太陽的顏色和機翼表面是如何相互作用的。結(jié)果表明，黑色上翼比白色上翼更能吸收太陽光。實際上，黑色的翅膀上翼和白色翅膀下翼的溫差高達10℃。溫度越高，空氣流速越快，因此壓力越小。所以有一個額外的上升力。這將減少能源消耗，使他們有更好的飛行耐力，尤其是當他們飛行了很長的距離。
在無人機上的實驗表明，黑色實際上可以降低飛行阻力，這種顏色的配置更適合無人機，因為如果無人機的尺寸更接近候鳥。那么這意味著能更少的減少能量損耗，這也意味著電池的續(xù)航時間更長，這使得無人機可以更長時間不間斷地執(zhí)行任務(wù)，幾乎可以像信天翁一樣可以輕松地在地球的兩端飛行。
兩個小組的研究結(jié)果都可能對無人機的未來產(chǎn)生重大影響。我們相信，在不久的將來，我們將看到風電無人機能夠在世界偏遠地區(qū)為我們執(zhí)行長期遠程的監(jiān)測任務(wù)，甚至可以超越信天翁。
