翼龙也能扬“帆”远航
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有一种叫“夜翼龙KJ”的翼龙，它的头上长着高耸的脊冠，这个脊冠非常变态，甚至比它的身体还长。关于这个头冠的作用，古生物学一直有争论。12月15日，中国古生物学者与航空专家联手，揭示了这个脊冠可能的用途：它上面可能长着皮膜，在飞行中可以起到帆的作用！近日出版的《地质学报》英文版2009年第1期上撰文介绍了这个研究成果，下面我们就和研究者一起，看一看夜翼龙KJ乘风而行的精彩世界。
“三叉星”提出谜题
中国地质科学院地质研究所翼龙专家吕君昌博士介绍，翼龙是恐龙的近亲，是最早飞向蓝天的脊椎动物，有时也被误认为是“会飞的恐龙”。翼龙最突出的特征是其前肢上极度加长的第四指。该指由长而粗的三四个指节组成，附着有一张大大的膜，而成为飞行的翅膀。而一些翼龙的脑袋上长有非常奇特的脊冠。对这些脊冠的作用，古生物学者做过很多研究，目前有着很多假说，比如充当飞行的方向舵、气动补偿、减速板，炫耀展示，调节体温和性成熟标志等等。不过，这些假说多数停留在理论阶段，并未做具体的空气动力学分析。
有脊冠也就罢了，但是有些翼龙的脊冠也太离谱了。夜翼龙（Nyctosaurus）就长有夸张的头饰。2003年，翼龙专家、美国海斯堡州立大学教授班尼特（S.C. Bennett）发表了一种发现于美国堪萨斯州的夜翼龙化石：KJ。他认为，“KJ”活着的时候翼展约3米，能够翱翔在白垩纪晚期的海上。它们都有个极长的骨质脊冠，标本KJ1号，其头骨及脊冠高达70厘米。标本KJ2号更是高达90厘米，脊冠的长度已经与它的翅膀差不多长。
长还不算，KJ的头冠上还长着一个分叉，从侧面看上去就像一个“三叉星”，又有些像“奔驰”的商标。“KJ标本是夜翼龙中非常著名，且最为‘诡异’的成员，在最近热播的记录片《史前公园》中还频频现身。”邢立达说。
不论这个“三叉星”能起到什么作用，但是有一点是肯定的，如果它只是一个光秃秃的“三叉星”，那么在飞行中会造成非常大的负作用，阻力大不说，而且还会产生很大的力矩，让翼龙的脖子偏向一边。那么，为什么夜翼龙KJ要长出这么一个累赘的东西呢？研究者灵机一动：“三叉星”是不是能在飞行中派大用场呢？
电脑技术重建标本
邢立达解释说：“三叉星代表着‘奔驰’公司征服陆海空的愿望，或许KJ也心存此愿。KJ如此巨大的帆状脊冠，是不是可以支撑起一张连接有软组织的帆，可以使它很好的飞行呢？”
确实，皮膜是爬行类动物经常会长出来的一种东西，比如现生的飞蜥就在肋骨间长有皮膜，KJ的“三叉星”上生有皮膜也是完全可能的。如果上面真的长出皮膜，会对它的飞行造成什么影响呢？真的可以让它像帆船那样乘风而行吗？
为解决这个问题，2007年初，在中国地科院地质所研究员季强和美国班尼特教授的支持下，邢立达与吴江浩等学者利用夜翼龙KJ新标本，从飞行力学、空气动力学的角度来讨论翼龙类发育夸张脊冠的功用。而与邢立达团队同时进行研究的还有美国斯坦福大学和美国国家地理翼龙重建项目的强大团队，而我方团队也得益于来自中国科技部973项目、中国地质调查局、中航传媒集团的有力支持。
北京航空航天大学的吴江浩副教授在昆虫飞行研究上有着深厚的造诣，此次合作研究中，邢立达与吴江浩首先运用3D技术，重建了夜翼龙KJ1标本，假设其脊冠附着有膜，我们称之为头帆。在低速空气动力学的范畴下，学者对该复原状态可能具有的力学特性进行了分析。
头上帆乘风而飞
参与KJ翼龙“头帆”研究的北京航空航天大学研究生卢艺主修飞行器控制。他协助吴江浩副教授对“有皮膜”的KJ在空中的受力情况有着深入的分析。卢艺说，翼龙飞行的方式很像帆船“侧风航行”。很多人都以为帆船能“逆风航行”，其实不是的。在帆船航行的时候，当风从前方一定角度吹来的时候，它会给帆两个分力，一个分力会推动船向船头方向行进，另一个分力把船往侧面推。但是，因为船身侧面受到水的阻力非常大，所以船主要会向船头方向行驶。如果面临完全的逆风，帆船也是无法前进的。
KJ翼龙可能也是一样。在空中，迎面吹来的风一方面给翼龙的翅膀提供升力，另一方面也给它一个向“前”飞行的力。
卢艺说，在利用侧风在空中飞行时，KJ会把身体偏转一个角度，也就是保持一个翅膀高，一个翅膀低的状态，这样它的侧面阻力就会增大，抵消由风造成的侧向力。
和帆船不一样，KJ不喜欢从后面吹来的风。因为风从后面吹来的话，它的翅膀也就失却升力了。卢艺说，在顺风的情况下KJ会把头调整到和风向一致，这样“帆”就不产生力了，它还可以用扑翼的方式产生向前的动力和升力，这和一般的鸟类飞行是一样的。
特殊环境才能造就
我们就可以大概想象一下“有头帆”的KJ的生活场景：它迎着斜面方吹来的风，侧着身子飞行，不但翅膀一高一低，而且飞行的方向和头的方向也呈一定角度。这么飞不晕吗？邢立达说，翼龙类有非常发达的半规管，身体平衡能力很强，所以这根本不在话下。很多鸟类的飞行姿态比这还要复杂，也没有什么问题。为调整飞行方向，KJ需要在风中转头，脖子就需要承受很大的力。邢立达说，有证据表明翼龙类的头骨和脊冠很轻，对脖子的压力不如想象的那么大；同时它也可能具有很强的颈部肌肉群。
卢艺说，KJ很可能会利用海峡上方固定方向的风进行“通勤飞行”，来回的路线都是一定的。因此，它长出帆一样的结构就会具有很强的生存优势。但如果地形情况复杂，风向很乱的话，这种结构确实会起到添乱的作用。邢立达说，在KJ生存的白垩纪晚期，生物的生存环境非常恶劣，地球上出现了很多“怪物”，所以为了得到一点点生存优势，KJ进化出“帆”也并非不可能。
在现存会飞的生物中，没有一种身上长着“帆”，为什么KJ会独占此奇巧？吴江浩表示，他们并非认定KJ一定长有帆。KJ长有很大的脊冠，而大脊冠上可能长有皮膜，随后他们进行了气动力学研究，证明了长脊冠上长有皮膜的KJ可以借助风力飞行。为了证明这一点，研究者们制作了电脑3D力学模型。“我们还对比了有头帆的脊冠、无头帆的脊冠和无脊冠三种模型的气动特性。结论表明，没有头帆的脊冠的推力和力矩特性要比有头帆的脊冠弱很多，而无脊冠的推力和力矩特性则不存在。所以，我们这个基于空气动力学的分析得到的结论是，夜翼龙KJ的脊冠很可能附着有膜，它可以利用这一结构的气动特点辅助飞行。”邢立达介绍道。
对此研究古生物专家季强研究员表示：“这是中国第一次运用气动力学来研究翼龙，而且是中国首次将古生物学与航空学科交叉，具有重要的意义。”邢立达表示，现在他们还只是做了电脑仿真研究，下一步将制作实体模型，在风洞中进行吹风实验。
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