原创：中科院物理所
相信大家最近都知道了那火爆全网的模因——中国人能飞！
揽佬节目 来源：哔哩哔哩
这句来自广东惠州说唱歌手揽佬的freestyle，让听者从第一遍的“这是什么？”到“好怪，再听一遍”再到“哦哦哦中国人能飞！”
这句看似无厘头的话，却解释了不少神秘的未知现象，让人不得不感慨这句话真好用。
来源：哔哩哔哩
那么，人真的能飞吗？如果不考虑飞机、火箭等交通器具，仅凭人类自己，要怎么才能飞得起来呢？
#01
！？飞飞？！
给人类装上翅膀？
提到自然界的飞翔，人们最先想到的便是像鸟儿一样展翅飞翔吧。早在古希腊神话中，便有为了逃离迷宫而尝试飞翔的伊卡洛斯，他和父亲用羽毛与蜡制作翅膀，勇敢起飞脱离困境，却因对太阳的追逐而陨落。
那么假如人真的能依靠煽动双臂（翅膀）起飞，需要多大的翅膀呢？
动物飞行研究者Hedrick认为，一个70kg的人，如果能拥有类似于飞行动物的身体结构，其翼展大约需要6米。这个结论并非考虑空气动力，而是通过对鸟类的质量-翼展规律得出的：
其中，b是翼展，M是动物体重，k是根据鸟类数据拟合出的比例系数，a是尺度指数。研究者通过对不同的鸟类研究发现，鸟类翼展大约与体重的0.35～0.39次方成正比。
把这鸟类的经验公式延伸到70kg，就能得到大约6米的人类翼展。
但问题也显而易见，这个计算只是把人按照鸟类的身体比例放大，所得到的翅膀形态长度。它并没有考虑翅膀面积、飞行速度，以及人类能不能扇得动这差不多一辆停车位那么长的翅膀。
若要从力学角度判断翅膀能不能托住人，则需要用升力方程：
其中，L是翅膀产生的升力，ρ是空气密度，V是翅膀相对于空气的速度，S是左右翅膀的投影总面积，CL是升力系数，反映翼型和迎角把气流转化为升力的能力，并不是一个永远不变的常数。
如果人保持平飞，升力至少需要和总重量相等，即：
这里的m不是单独的人体质量，而应当包括人体、翅膀、骨架和传动装置的总质量。
联立两个式子，可以得到所需翼面积：
若以70千克的人为例，暂时假设翅膀没有重量，取海平面空气密度1.225 kg/m3，升力系数取1，就可以计算出在不同翅膀速度下的所需的翅膀面积。如果以10 m/s速度飞行，所需展翼面积为11.2平方米；如果速度提高到15 m/s，所需面积就下降到约5平方米。当速度提高到原来的1.5倍，所需面积可以下降到原来的约44%，因此“翅膀大小”也同时取决于飞行速度。
小撒
翼展和面积之间还取决于翅膀的长宽比例，即展弦比：
其中AR是展弦比，b是总翼展，S是总翼面积。假设人类翅膀采用AR=8的中等展弦比，5平方米的翼面对应6.3m的翼展。也就是说，6米翅膀在纯空气动力学意义上并非完全不可能托住一个70kg的人，前提是他已经获得了15m/s的空速。
补充一点，这里的翅膀相对空气的速度指的是像飞机机翼一样的水平移动速度，放在真正上下拍动的翅膀上，将会更加复杂，需要考虑翅膀扇动的局部速度、周围气流的流动等等的矢量和，将会更加复杂。这里我们只讨论了一个理论上过于简略的模型。
如果考虑扑翼的过程，MIT的航空工程教授Mark Drela认为，翼展需要至少80英尺左右，约24米，而且翅膀自身必须显著地比人轻。哪怕如此，这翅膀仍不是人的胸部和上肢肌肉能够驱动的，人腿倒理论上有可能能驱动翅膀。
这也引入了下一个问题——用升力方程计算出来的速度，要如何从0开始起飞、加速？
飞机依靠发动机和螺旋桨产生推力，鸟类则用翅膀完成两个任务：向下推动空气以支撑体重、向后推动空气以克服阻力。
中国鸟能飞
把翅膀做得更长、更窄，可以降低阻力，让有限的肌肉功率得到更有效的利用；但翅膀越长，翼根所承受的弯矩越大，反复扑动时也越难加速和制动。空气动力学上，人们需要更长更大的翅膀；而人的肌肉和骨骼却难以驱动巨大的长翼。
这也是鸟和人的区别了——身体差异。鸟类的胸大肌决定了翅膀下扑功率，肌肉并非附着在手臂附近，而是附着在具有龙骨突的胸骨上；喙上肌则通过类似滑轮的肌腱路径抬起翅膀。坚硬的胸骨、乌喙骨和肩带共同把两翼产生的载荷传入躯干。
而人类上肢并非为飞行所设计，胸骨上没有龙骨突、肩带无法持续扑翼。所以，如果要真正成为能飞之人，只多出两对翅膀是远远不够的，胸骨、肩带、肌肉比例、呼吸循环系统乃至起飞姿势都要随之改变。那样的人应该会拥有非常强壮的胸肌和背肌、更强韧的胸骨和肩带，以及能为持续高功率肌肉提供氧气的呼吸与循环系统。
对于以人力驱动的翅膀，我们在这里可以看一个现实的例子。
多伦多大学的Snowbird是一件真正实现过受控人力扑翼飞行的飞行器，它的总质量约114千克，翼展32米，翼面积29.6平方米，飞行速度约25.6km/h，扑翼频率只有0.65Hz。这个翼展大小，相当于一架波音737或者空客A320的翼展，比十层楼倒下来还长。
Snowbird人工扑翼机工程图
之所以它采用如此大的翼展，是为了将翼载荷和阻力压到很低，让人体短时间输出的功率足以维持飞行。但Snowbird并不是大家想象中的“手化翅膀之人”，而是一个“飞天自行车"，飞行员用脚做蹬伸运动，采用更强的下肢力量代替手羽，通过滑轮和钢索驱动翼梁。飞机还要先由汽车牵引升空，脱离牵引后才飞行了145米。
Snowbird示意图
飞行过程中翅膀扇动示意
其实，早在Snowbird之前22年，人类就已经只靠肌肉飞过了115.11千米。1988年，翼展约34米、空重仅31千克的deadalus 88，在希腊自行车运动员的猛蹬下飞行了3小时54分59秒。不过deadalus的机翼不需要扑动，只是产生升力的固定翼，推力则来源于腿部蹬踏驱动的螺旋桨，这个设计把飞机所需功率压缩到优秀自行车运动员能够输出的范围，但设计上更像一台“用腿驱动的飞机”，而不是snowbird那样一双“用腿驱动的翅膀”。
Deadalus示意图
回到开头的问题，如果我们只是问“多大的翼面能产生足够的升力”，答案可能是6米；但如果是问“人类能否靠自己的肌肉驱动翅膀”，现实中成功的答案接近32米，而且那副翅膀属于一架飞机，而不是长在人身上。人不是没有足够的肌肉力量飞行，但人的身体并非一台扑翼结构，直接把翅膀装到身体上，大概只是沉重的负担。
或者是一种cosplay。
#02
！？飞飞？！
用翅膀滑翔如何？
如果我们不要求能飞的人越飞越高，而是能接受不断下降，那么翼装飞行是相对上文更大众的一种”飞“法。人们只需要在四肢之间增加几平方米织物，就能让自由落体变成向前滑翔。
翼装飞行：有翅膀，在空中，是飞！
现代翼装采用双层织物结构，前端开有进气口，高速气流进入内部气室后，略高的内部压力使得织物鼓起，形成具有一定厚度和弯曲度的翼面；双臂和躯干之间构成两侧翼，两腿之间的织物则作为尾翼。飞行者的手臂、腿和身体既作为支撑结构，也是整个气动外形的一部分。
翼装飞行没有动力产生，而是将重力势能转化为了向前滑翔的能量。它产生的升力使运动轨迹从竖直方向偏向水平方向，飞行者用持续损失高度的方式换取前进距离。衡量这种交换效率的关键指标是升阻比：
水平速度下降速度
水平距离损失高度
其中，L是升力，D是阻力。在无风且稳定直线滑翔的理想情况下，如果翼装飞行的升阻比是2，就相当于飞行者没下降100米，理论上可以向前滑行约200米。
翼装飞行是一项非常危险的极限运动，飞行者通过改变手臂、腿和躯干姿势，同时调整翼面面积、弯度、迎角和身体迎风面积。身体左右不对称可以产生滚转和转向，姿势的改变可以在下降和滑翔之间切换。身体姿势和迎角的细微变化，就会明显改变翼装的升力与阻力。
翼装上的压力等值线和不同角度下水平位置的3D流线
与翅膀不同的是，翼装飞行的翼面并不是越大越好。研究者在风洞实验中发现，扩大翼装头部和手臂之间的面积确实能产生更多的升力，但阻力也随之增加，甚至增加的更多，导致升阻比反而下降。翼装追求的并不是最大的升力，而是在足够升力与尽可能小的阻力之间找到平衡。
翼装飞行者在风洞实验中处于不同位置
小编在高温假期间去了天门山，了解了在天门山上举办的翼装飞行赛事，也震撼于极限运动爱好者的勇气。这里的世锦赛起跳点位于海拔1458米的玉壶峰，起跳点与降落点垂直落差990米，选手需要在约1.3公里的空中线路上完成转弯、穿越旗门或精准穿靶。2024年的穿靶赛中，悬在山隙间的靶标外径仅0.8米，靶心直径只有10厘米。
在天门山通天大道第82道弯，还立着一座名为“天门之鹰”的铜像。它展开双翼，面向群山，纪念着那些曾在这里飞翔、后来却永远离开天空的翼装飞行员。勇气让人迈出悬崖，梦想让人渴望飞翔；但真正值得敬重的，也包括对训练、判断与风险始终不曾放下的敬畏。
#03
！？飞飞？！
把空气踩于脚下？
翼装飞行虽然无需动力，但它并没有真正解决起飞的问题。如果人们想cosplay钢铁侠，能从地面升起、悬停并自主降落，就得主动提供向上的推力。
个人飞行器正是为了解决这一痛点而发明的，它能持续把空气向下推动，再利用空气的反作用力把人托起来，使得人能维持人形飞起来。
影响推力的因素包括单位时间向下推动的空气质量，和空气被加速的程度。所以个人飞行器也有两种设计，第一种是用大旋翼推动大量空气，只让空气缓慢下降；第二种是用小型喷气发动机推动较少空气，却让他高速喷出。
大旋翼慢空气
20世纪50年代的HZ-1 Aerocycle单人直升机，将两幅直径约4.6米的旋翼直接放在飞行器脚下，虽然实现了飞行，但操纵困难、稳定性差，项目最终被放弃。
Omni悬浮滑板作为它的现代优化版本，同样让人站在多副螺旋桨上方，只是用分散的小螺旋桨代替一副巨型旋翼。其续航时间15min，最高高度20m，飞行距离约0.28km。
可穿戴快喷气
另一种个人飞行器的发展方向，则是规避了大旋翼所必需的体积，转而使用小型涡轮喷气发动机，让飞行器真正变成可穿戴设备。
喷气动力板Zapata Flyboard Air由数个微型涡轮喷气发动机提供动力，续航时间10min，续航里程约20km，最高高度3km。
飞行背包JetPack Aviation的JB11使用六台较小的发动机，并通过发动机管理系统调节各台推力，其飞行时间8min，飞行高度可达4.6km，续航里程16km。
飞行背包Gravity Jet Suit 的设计更特别：主要发动机安装在背部和双臂，飞行员移动手臂便能改变推力方向。其飞行时间10min，飞行高度约3.6km，续航里程19km。
这些设备之所以能缩小到穿戴尺度，是因为涡轮发动机把空气加速到了极高速度。但高速尾流携带的动能很大，其悬停效率往往较差，同时伴随着剧烈噪声、高温尾焰和很大的燃料消耗。所以现在仍没有办法大面积推广。
回头看，人类尝试飞行的路线已经和鸟相去甚远。给身体装上翅膀会受限于肌肉和骨骼结构；穿上翼装能够滑翔，却必须不断消耗高度；把旋翼或喷气发动机穿在身上，能从地面升起的代价是噪声和燃料消耗。
但不管是哪种“飞”，要获得向上的力，都得用某种方式把空气推向下方。鸟用胸肌和羽翼，人力扑翼用双腿和螺旋桨，翼装用重力势能做交换，喷气背包则用燃料制造高速气流。
这些飞行器距离日常交通还很远，但人类至少已经把“飞”从一种愿望，变成一个可以推进的工程问题。
《中国人能飞》里唱的，或许不只是一项已经掌握的本领，也包括这种翱翔九天的愿望。至于这种愿望从何而来，鲁迅先生在《谈蝙蝠》里早有一句：
“是中国人本来愿意自己能飞的。”
参考资料
[1]https://www.livescience.com/health/if-humans-could-fly-how-big-would-our-wings-be
Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2011 May 27;366(1570):1496–1506.
[2]https://www.aerovelo.com/snowbird-technical-info
[3]https://www.nasa.gov/image-article/daedalus-human-powered-aircraft-2/
[4]Ansari, N.; Krzywinski, S.; Fröhlich, J. Towards a Combined CAD and CFD Development Process of a Wingsuit.Proceedings 2018, 2, 228.
[5]风火轮、火尖枪……神话里的哪吒武器，能够被现代技术“复刻”吗？
编辑：花卷