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你知道怎样复原放飞4000多年前的“古埃及木鸟”吗?

已有 780 次阅读 2019-7-11 12:05 |系统分类:科普集锦

2019年5月6日,随着一声令下,一架通体金黄的“木鸟”飞快地腾空而起,轻快灵活地翱翔于蓝天白云之间,仿佛跨越了数千年,迫不及待地将轻盈的身躯投向天空的怀抱。复原这架“古埃及木鸟”的,是同济大学航空航天与力学学院沈海军教授团队。你知道是怎样让4000多年前的“木鸟”飞起来的吗?

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图1 “古埃及木鸟”放飞录像

时间回溯到1898年,一队考古学家在一座4000多年历史的古埃及墓穴中,发现了一只由无花果木制作的木质模型,其外形很像鸟,所以称之为“古埃及木鸟”模型。它的翼展为18cm,重39.12克,目前保存于埃及的开罗博物馆里。

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图2 博物馆里的“古埃及木鸟”

然而科学家们仔细观察以后,发现这只“木鸟”和普通鸟类还不太一样。1969年,埃及阿勒旺大学的Khalil Messiha博士研究发现,古埃及木鸟的尾部是垂直的,与普通鸟类的尾部是水平的有所不同,更类似于飞机的垂直尾翼。并且木鸟的翅膀具有下反角,这与现代“上单翼飞机”的设计思路非常类似,有利于飞行过程中保持稳定。Messiha博士认为,古埃及木鸟是当时人们制作的飞机模型,经过了漫长的时间,它的水平尾翼丢失了【1】。于是有人认为这是古代埃及人的独创性设计,也有人认为“木鸟”就是当时的一款滑翔机甚至是飞行器。那么这只“木鸟”到底能飞吗?

为了验证“古埃及木鸟”的飞行性能,同济大学航空航天与力学学院的沈海军教授团队的同学们决定复原出一台“木鸟”模型,通过科学的研究方法和严谨细致的实验过程,测试“木鸟”到底能不能够飞翔。首先从科学家们对“木鸟”的测绘资料中,找到了它的尺寸参数图纸。基于这张图纸,科研人员对“木鸟”进行了三维建模,在电脑中构建出“木鸟”的立体模型,利用3D打印技术制作出“木鸟”的展示模型。接下来利用切片法获得木鸟模型的一个个截面,利用激光切割机将薄木板切割成“木鸟”截面的形状,最后将所有截面拼接起来,制作出1:1大小的实物木质模型。

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图3 “木鸟”进行风洞试验

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图4 “木鸟”进行虚拟气动仿真试验

分别利用风洞测试“木鸟”的气动性能,以及利用CFD虚拟气动仿真软件对木鸟的三维模型进行气动分析,并对二者的结果加以对比,二者结果的误差不超过5%,“木鸟”所受升力和阻力的比值为2.5,初步证明“木鸟”具有较为优异的气动性能。

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图5 放大版“木鸟”制作现场

最后按照相同气动外形制作了一个10:1的放大版“古埃及木鸟”,为其加装了动力以及控制系统,通过实际试飞来检验之前试验分析的结果。在首次试飞的时候,“木鸟”一下子就飞起来了,飞行过程非常地稳定和连贯。这也标志着对“古埃及木鸟”的复原工作取得了圆满的成功。同时也验证了“木鸟”有着良好的气动性能,足以支持它在空中自由地翱翔。一个4000多年的气动构型能够有如此表现,着实令人感到惊讶。

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图6 放大版“古埃及木鸟”骨架

那么为什么要复原这架四千多年前的“古埃及木鸟”呢?首先这是一个探索创新的过程,结合现代的科学理论和实验方法,对“木鸟”模型的气动性能进行分析,这本身就是一个大胆的尝试。其次复原“古埃及木鸟”也是一个有趣的实践,从最开始发现“木鸟”的图纸,到木鸟模型的复原,到后面的放飞“木鸟”复原模型,每一步都充满了新鲜感,让科学研究的过程充满了乐趣与成就感,以兴趣为导向激励着团队成员们不断向前探索,最终成功地完成了“古埃及木鸟”的复原。

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图7 “木鸟”超低空飞行

除了“古埃及木鸟”以外,沈教授团队还尝试研究古玛雅“黄金飞机”、中国古代春秋时期“仿鳐飞行器”、明朝时期的“神火飞鸦”等古代疑似飞行器。曾有传言说,正是通过对古玛雅时期的“黄金飞机”的研究,才使得美国洛克希德公司的航空设计师们发明出了当时最好的超音速飞机。这些古代“飞行器”身上还存在着太多的未解之谜,等待着人们去发掘,去探索。

“大胆设想、严谨求证”是沈教授团队的初衷。在遇到未知的事物时,可以放开脑洞去猜想可能的情形,在验证设想的时候务求严谨细致,以一个开放思维将古代与现代结合在一起,也许会有新的发现。


---研究生余翼应邀给上海自然博物馆公众号写的微文。



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