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電影【沙丘】中為什麽使用撲翼飛機而不是固定翼?

2023-03-06影視

【沙丘】中類似蜻蜓的撲翼機十分酷炫。與以往電影和遊戲中出現的不同,該作中撲翼機翅膀有著超高的振動頻率,視覺效果與真實的蜻蜓無異,或者說有著類似直升機旋翼的高速運動,從視覺上讓人相信這種機器能夠飛得起來。

可見撲翼速度快到殘影

那麽現實中真的能造出這樣的機器嗎?我知道大多數人分析這個問題會考慮材料、金屬疲勞等方面,所以我從另一個角度入手。

現實中會飛的生物無外乎鳥類和昆蟲(暫不考慮蝙蝠的事)。它們的特征非常明顯,有較大的翅膀,舍棄了行走速度和護甲來換取輕量化的身體。大部份的肌肉被用於驅動翅膀,因此鳥類和昆蟲都有極為強壯的胸肌。

鳥類大部份肌肉是連線在龍骨上的胸肌

那麽為什麽生物都是撲翼,沒有固定翼帶螺旋槳、或者旋翼直升機一樣的生物?為什麽人類制造的飛機不是固定翼就是直升機,沒有實用化的撲翼機?我認為問題出在了動力來源上。人類制造的發動機,無論是活塞式發動機、燃氣渦輪機還是馬達,輸出的都是軸動力,或者說扭矩。生物的肌肉則只能靠伸縮輸出拉力,即便是可以旋轉的關節,也都是由不同肌肉朝相反方向拉動而實作的。因此不能輸出扭矩的肌肉,自然不可能創造出用輪子跑、用螺旋槳遊泳、用旋翼飛上天的生物。

昆蟲的胸腔也是被強壯的肌肉所占據

撲翼機如果使用輸出軸動力的發動機,按照鳥類和昆蟲的方法,就又要把軸動力轉換為拉力來驅動槳葉。航模大小的撲翼機使用鋼絲和塑膠薄膜制作,用小馬達帶動飛行,但數十噸重的大型撲翼機還要用復雜的連桿和齒輪機構,簡直不可想象。

在我的設想中,撲翼機的動力應該是類似肌肉的結構,由活塞連桿直接推動槳葉,相當於兩台單缸二行程發動機控制一片槳葉。這樣活塞的動力能夠直接輸出到槳葉上,而不是驅動曲軸後在轉換為其他機械能。

如果是黑科技的核子動力電驅,那不妨由電磁鐵來推拉槳葉,就像老式的電鈴一樣。

但是以上講了那麽多,只是涉及到了最簡單的動力部份。飛控無疑是撲翼機的噩夢。

塑膠薄膜制作的航模撲翼機更類似於昆蟲,外形不可調節的翅膀透過改變振幅和揮舞方向來調節升力和推力,從而實作轉向、翻滾、俯仰等動作。透過一些機械結構便能夠實作。鳥類的翅膀更加復雜,翎毛可以張開,類似飛機的襟翼;翅膀上復雜的肌肉可以隨時調節翅膀本身的構型,可謂是能夠瞬間無級調節的可變翼。再加上可以任意角度調整的尾翼,鳥類獲得了極大的靈活性,其飛控系統的復雜程度非人類飛行器可以比擬。顯然,大型載人撲翼機必須也要實作這一點。

可以想象,撲翼機槳葉所需的自由度遠超任何直升機的槳葉。垂直起飛時槳葉要能夠前後擺動,前進時則改為上下擺動,還要考慮倒退的情況。涉及到機動時飛控只會更加復雜,任何滾轉和側偏動作都需要對槳葉揮舞時的空氣動力學特性徹底研究透。而遇到如風切等復雜氣象條件時,撲翼機的操縱難度只會更加增高。我不認為這是純機械能夠做到的,一定要做大量的試驗和標定,用成熟的電腦飛控系統來全盤控制。當然,把傳感器系統集中連線到鳥類大腦上,讓鳥類大腦輔助控制飛行,興許也是個不錯的辦法。

比起飛控,振動可能是撲翼機最可怕的問題了。我們都知道鳥類內建一個鳥頭穩定系統,但人類可沒有這個本事,坐上撲翼機飛一圈估計腦漿子都能搖勻了。撲翼機的飛行將涉及到各種頻率的振動,會對包括乘員在內的機上所有材料和裝置造成很大的破壞。這一點在飛機和直升機上都是透過各種手段去避免,而撲翼機本身就是制造振動和亂流的,並不像飛機和直升機是利用滑流消除亂流。振動也意味著雜訊,螺旋槳飛機和直升機的雜訊已經夠大了,很難想象撲翼機的雜訊會達到什麽水平。

綜上,撲翼機天生的缺陷太多,而航空當然更青睞簡單高效的設計。固定翼飛機已經能夠超音速,直升機能滿足所有撲翼機擅長的事情。就算是垂直和短距起降,恐怕直升機的優勢還要更大,至少它的旋翼有一定的離地間隙,撲翼機還需要更多的凈空範圍。撲翼機如果遇上發動機失效,毫無疑問就是機毀人亡的命運——在一邊翅膀不動的情況下,撲翼機不可能保持平衡。

其實不用說在航空業,所有的船舶不是螺旋槳就是噴水發動機,從沒有一款船舶是用活塞劃槳,或者像魚一樣扭著尾巴往前走的。仿生學僅僅是在外形方面學習生物,卻無法做到動力方面也與生物一模一樣。我們只能見到各類仿生學機器人,卻不可能見到像馬一樣用腿走路的汽車、像跳蚤一樣蹦噠的摩托車、像鳥一樣撲騰的飛機、像魚一樣竄溜的船、像蛇一樣爬的火車。

同樣的撲翼機,改成直升機就順眼多了

那麽撲翼機存在的意義是什麽?毫無疑問,它滿足了人類對科技的幻想,是新奇的視覺體驗,司空見慣的東西已經激不起人類的興趣了,所以人類需要幻想出一個異世界。

在那裏,天上是撲翼機和飛艇,地上是毛毛蟲一樣蠕動的車輛和各類人形、獸形機甲,水中是魚一樣的潛艇和海龜一樣的遊船,各種昆蟲一樣的無人機四處遊蕩服務著人類,人們住在大樹和蘑菇一樣的房子裏,建造了蜂窩一般的地下城。

是的,它們都不能變成現實,不可能被建造出來,是工程師的噩夢,但這何嘗不是藝術家的天堂呢?就讓它去激發孩子們的想象吧!