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翼龙与飞机撞出的灵感

2009-06-05 02:44:47 来源:天天宠物网 浏览:173
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  听起来,邢立达和卢艺从事的工作“八竿子打不着”。

  他们一个是古生物学者,另一个研究空气动力学。对于前者来说,在茫茫沙漠中寻找一元钱大小的化石碎片是再普通不过的工作场景。而后者大部分时间是待在实验室里,分析小到一只昆虫,大到一架飞机的飞行特点。

  但这两个人竟然搞出来一项学术研究。在今年第一期的《地质学报》英文版上,他们发表了国内第一篇航空航天学和古生物学交叉的学术文章。其中的研究对象是一种头上长着非常奇特脊冠的夜翼龙。通过空气动力学分析,他们认为这种翼龙的脊冠上很可能长有皮膜,从而有助于飞行。这项研究对无人飞机的研究将具启发作用。

  恐龙迷遇上飞机迷

  事实上,这两个年轻人自打去年认识起,就经常聊起对方的专业。翼龙的飞行能力成为他们共同关注的话题。这类最早飞上蓝天的脊椎动物,往往被误认为“会飞的恐龙”。其实它只能算得上恐龙的近亲,灭绝于6500万年前的白垩纪末期。

  去年5月的一天,邢立达向卢艺展示了一套“夜翼龙KJ”的图片。这是他最喜欢的一种夜翼龙,和大多数同类一样长有脊冠。但与众不同的是,KJ的脊冠长相古怪,几乎和翅膀差不多长,上面还有个分叉,看上去好像“奔驰”的标志。“这对它飞行有什么用呢?”邢立达禁不住请教对面的专业人士。

  卢艺看到这张图片也是大吃一惊。这位北京航空航天大学的硕士研究生分析道,如果这只是一个光秃秃的脊冠,也许可以帮助它保持平衡,但是没有这样脊冠的翼龙都生存了上亿年,它会不会有其他用处呢?素来古灵精怪的邢立达灵机一动,“为什么我们不合作一把,试试看用你的专业来研究我的专业”。

  在这个飞机爱好者的想象中,此次合作应该“非常顺利”。毕竟,自己曾经对空气动力学有所涉猎,包括那本《无齿翼龙的生物力学》(BiomechanicsofPteranodon),他也是读过好几遍。

  这是学界最早用空气动力学解释翼龙飞行的专著,由两位英国应用物理学学者在1974年出版。后来,人们进一步对翼龙独特的飞行方式进行复原研究,并逐渐成为一个重要的古生物学研究领域。

  但出乎邢立达预料的是,他最初和卢艺沟通起来非常困难。“他们不停地跟你讲飞机,很多东西我都听不懂!”这个27岁的年轻人回忆说。

  相比之下,论文的通讯作者吴江浩感到新鲜和怀疑。这位北京航空航天大学交通科学与工程学院的副教授,是卢艺本科毕业设计《翼龙头冠气动特性分析》的指导老师。

  在这位昆虫动力学学者的研究经验里,他最常接触的动物是蝇类和蛾类。每年4月到9月,他都会带领学生到野外捕捉昆虫,用高速摄像机拍下它们扇动翅膀的瞬间,从而进行各项分析。

  这其中,中间人卢艺起了很大的作用。这个身高1.8米的男生自我比喻成一把钥匙,在这项研究中“开启了空气动力学和古生物学跨学科合作的大门”。

  从四五岁开始,卢艺就迷上了恐龙。《恐龙特级克塞号》是这个四川男生对恐龙的最早记忆,他最喜欢的漫画书《机器》里也能找到恐龙的身影。

  或许因此,这位研究飞行器设计的理工科男生,会把翼龙脊冠的气动特性分析作为自己大学本科毕业设计的题目。

  “虽然有些人一听这个题目就觉得不靠谱,但我相信自己能把它做好。”卢艺自信地说。

  最“诡异”的飞行家

  但KJ已经消失了数千万年,仅仅凭借一块化石,该如何研究呢?

  卢艺想到了运用CATIA软件重建夜翼龙KJ的头部,这是一种常用的飞机3D设计软件,然后再通过数值计算的方法对其脊冠的气动特性进行研究。

  在美国海斯堡州立大学教授班尼特(S.C.Bennett)的帮助下,邢立达来到美国堪萨斯州,亲自测量了KJ标本的各项指标。正是这位学者在2003年发现了这种夜翼龙化石。

  在一个略显杂乱的私人收藏室里,留下黑色化石的KJ躲藏在一块白色石板里。它们分别被班尼特教授称为KJ1和KJ2。其中,KJ1的骨质脊冠高达70厘米,KJ2更达到了90厘米。

  “真是太奇怪了,不仅在夜翼龙科中无人能出其右,而且在翼龙中也是极为罕见。”邢立达情不自禁地感叹。

  他根据班尼特最初发现时拍摄的照片与论文数据,与国内恐龙复原画师花了一个月的时间模拟出数字化的KJ。由于这种夜翼龙目前只发现了两个化石标本,而且并不十分完整,这只虚拟的KJ还综合了其他夜翼龙的模样。

  在自己的台式电脑上,卢艺展示了这只夜翼龙的透视图。“你看它的侧面,”他标轻轻一点,屏幕上的KJ就翻了个身子,“现在是它的俯视图”。

  不过,他补充说,这种3D软件属于用来设计零件的工程软件,如果用来画具有自由曲面的翼龙头部,而且要符合古生物化石数据,具有一定的难度。

  为了进行真实模拟,邢立达向卢艺提供了翼龙生活时代的大气数据。夜翼龙生活在中晚白垩纪时代美国堪萨斯州附近的海面上,当时的风速大约为5~10米/秒。据诸多研究文献表明,KJ1的飞行速度在15米/秒左右,这差不多相当于一辆自行车飞快行驶的速度。

  这个团队把研究目标锁定在从空气动力学的角度分析KJ的脊冠是否附着有膜。在公众想象中,夜翼龙头上并不是一个光秃秃的脊冠,而是像帆船一样附着有膜。这并不是空穴来风,在一些保存良好的翼龙化石中,古生物学家发现有纤维状物质从翼膜内侧剥落,它们可能就和翼龙翅膀上的翼膜构造相同。

  而在纪录片《史前公园》中,KJ顶着鹿叉似的脊冠出场。在一片阴霾的云朵之中,这种黄黑相见的怪兽一亮相就引人注目,被观众们称为“最为诡异”的飞行家。这或许是因为协助指导该片的古生物复原专家认为,目前没有明确的证据证明KJ的脊冠有膜存在,因此就让它举着根“旗杆”上阵了。

  “但这都只是根据现存化石标本的复原设想,并没有确切的证据支持,这恰恰给我们开辟了广阔的研究空间。”吴江浩说。

  在他的建议下,邢立达等人设计了有头帆的脊冠、无头帆的脊冠和无脊冠三种模型,希望通过比较三者的气动特性获得KJ脊冠附着有膜的依据。

  凭借兴趣做研究

  通过对在不同风速、来流方向等气流条件下KJ的脊冠气动特性分析,吴江浩及卢艺发现,KJ1的脊冠如果有膜附生,其形成的巨大的头帆可产生可观的气动力,这意味着KJ可能会具有更高效、灵活的飞行能力。而没有头帆的脊冠,其推力和力矩特性则不存在。他们据此推断,KJ的脊冠很可能附着有膜,借此来辅助飞行。

  在研究中,卢艺还推测KJ多数时候利用海峡中固定方向的侧面来风进行“通勤飞行”。资料显示,在数千万年的时间里,堪萨斯海面附近的地貌都没有太大的变化。KJ这样的翼龙种群可能在常年恒定的风向下,一代代的繁衍成我们所看到的样子―长出如此奇特的脊冠。

  一直以来,有关翼龙脊冠的研究在古生物学界属于热门。有人从飞行角度研究,认为这个器官可用来充当飞行的方向舵和减速板,还有科学家从生物学角度研究,推测它是为了调节体温,或者在交配季节博取异性的欢心。不过,这些假说多数停留在理论阶段。

  由于论文并没有在空气动力学理论方面有创新,而只是将它作为工具去研究古生物学领域的问题,邢立达将其投稿于中国地质学会主办的《地质学报》。

  不过,吴江浩没有想到,在期刊的专家组意见中,相当一部分是要求解释基本的空气动力学原理。

  “这说明跨学科研究很困难,古生物学者不懂空气动力学,就像我最初也不懂翼龙化石一样。”这位33岁的学者笑着说。他不得不专门在文中补充详细的说明以系统阐述一些基本空气动力学原理。

  对此,邢立达说:“我们都是凭借兴趣来研究的。”这位金融学专业的大学生,毕业后曾在一家政府机关工作。由于非常喜爱恐龙,他不顾家人反对,到成都地质学院就读地层与古生物专业。如今,这位中国地质科学院地质研究所的青年学者已发表近10篇学术论文,撰写了20多本恐龙科普读物。

  填补了学术空白的卢艺并没有获得想象中的业界认可。在去年学校优秀毕业论文评选中,他的这篇毕业设计落选了。

  “我并不在乎成果能不能被认可,研究翼龙本身就是对我科学思维的一种非常有益的锻炼。”他说。

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