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数据记录飞机进化史

晓顾 //m.auribault.com 2014-08-01 来源：人民政协报

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　　为何能横渡大西洋的超音速协和飞机（Concorde）步了渡渡鸟的后尘？研究人员现在明白了，因为这是一条进化的死胡同。

　　很久以前，客机是小巧的螺旋桨带动的DC-3，发展到今天成了庞然大物的波音787。美国杜克大学机械工程与材料科学教授阿德里安·贝亚恩等人在他们的最新研究中证明，客机的这种进化历程遵循一项物理法则。他们在7月22日的《应用物理学》杂志网站发表了详细论文。

　　结构法则统治多领域

　　进化现象远远超过了生物领域。从本质上说，技术、江河流域、动物设计的进化都是一种现象，它们都属于物理。按照物理法则，协和飞机远不是个好的设计。贝亚恩说：“对人类而言，地球上物种的进化由于时间太过久远而无法见证。但人们所掌握的技术、运输飞机的进化时间还很短，可以追溯。进化是一种普遍现象，涵盖技术、江河流域、动物形状等，都根植于物理学中的结构法则。”

　　贝亚恩1996年发展了结构法则来描述一个系统。他提出，一个系统想要存在下去，就必需进化得更具流动性。比如，人类进化出了血管系统，让血液在一个大的动脉网和许多小毛细血管网中流通。江河系统、树的分支、现代高速路和交通网络，这些现象的背后都有同样的驱动力在起作用。这一法则也把飞机和鸟类、动物关联在一起。

　　以商业飞机为例，飞机设计的进化方向是要让更多人和货物在地球上面流通。结构法则指示了成功飞机的主要设计特征：发动机质量要与飞机大小保持一定比例，机翼尺寸取决于机身长度，燃料负荷随着总重量的增加而增加。

　　“我们在任何大型陆地动物的身上也能看到同样的设计。”贝亚恩说。“较大的动物寿命更长，也能旅行更长的距离，这就像设计客机所要做的。比如，发动机对飞机大小的比例，就类似一个大型动物的整体大小与它的心脏、肺和肌肉的比例。”

　　数据记录飞机进化史

　　人们虽然不能亲眼目睹地球上生物进化的历程，这个时间尺度远远超出了人类寿命。但可以亲自见证飞机进化史。数据记录了这一进化历程，也能依据物理法则预测它将来会怎样发展。

　　为了把他们的理论应用到飞机设计中，贝亚恩小组和法国图卢兹大学的发展研究工程师乔丹·查尔斯及土木工程教授赛尔维·洛伦特合作，共同挖掘了那些成功的商业飞机的历史数据。他们绘制了数千份统计图表，包括引入这种飞机的年份、飞机尺寸、航行速度、发动机重量、燃料重量、最远航程、机翼展开幅度、机身长度，从中看到许多进化模式，而且发现有两点特征最为突出。

　　其中一份图表曲线显示，在近一个世纪的飞机制造中，商业飞机的尺寸呈明显增加趋势。随着时间的推移，新的商业飞机有了各种尺寸，但最多的是加入了更大的模型。在另一张图表中，那些实现了最佳质量与速度关系的飞机，与各种动物如哺乳动物、蜥蜴、鸟类、昆虫等的质量与速度关系差不多是完全一致的。也就是说，自然界中进化的约束，在航空工业中同样起作用。

　　这也是协和飞机为何被淘汰出局的原因。“协和飞机与喷气式客机进化的比例偏离太远。”贝亚恩说，这种飞机的载客能力有限，质量与速度比太低，再加上还有位列淘汰表的机身对翼幅比例，巨大的发动机和可怜的燃料燃烧效率等问题。“必须服从结构设计法则才能成功。”

　　贝亚恩还指出，这一分析也显示过去几十年来航空工业设计发展得相当不错，统治航空工业的趋势确实也是最有效的。他们还揭示了未来客机要想取得成功，应遵循的总体设计参数。“本研究也提供了一个草图，即什么样的飞机设计能让你参与到游戏中来。对设计公司来说，这就意味着银行中的钱。”

　　美国俄亥俄州怀特-帕特森空军基地空间研究实验室跨学科科技中心的乔斯·坎伯罗斯说，这项研究有望为飞机设计指出更好的方向。坎伯罗斯并未参与本研究。他还指出，“这是一个确切的比喻，理解并清楚地说明了发动机和飞机为何会发展成目前这个样子，以及将来会怎样进化。通过审视飞机现在的进化发展史，人们可能发现利用自然法则的最佳方法，再现大自然已经完成的杰作。”

编辑：尹盼秋