人力直升機再創(chuàng)飛行新紀錄

早在1979年，美國的麥克·克萊迪博士設(shè)計的“薄翼禿鷹”人力固定翼飛機就成功飛躍了英吉利海峽。而1980年美國直升機協(xié)會設(shè)立的人力驅(qū)動旋翼機設(shè)計競賽，卻在過去的30多年里無人問鼎。此項比賽要求旋翼飛行器僅在人力驅(qū)動下在離地3米的高度懸停至少60秒。人力直升機，即僅依靠人力提供飛行動力和操縱的旋翼飛行器，為何它遠遠落后于人力固定翼飛機的發(fā)展，一個關(guān)鍵因素是固定翼飛機可以充分利用在前進過程中流過機翼的大量空氣從而產(chǎn)生升力。直升機沒有固定雙翼，因此至少得提供比固定翼飛機多15倍的力量才能起飛，可見，在人力有限的情況下，后者獲得成功的可能性遠遠大于前者。

人力直升機最新進展

至今，只有三款人力直升機離開了地面。第一架是美國加州理工大學(xué)的師生們設(shè)計制造的達芬奇三號（LeonardoDa Vinci Ⅲ）。它的旋翼直徑達到了30米，有兩片槳葉，槳葉由位于槳尖的螺旋槳推動。駕駛員通過腳蹬將動力傳到絞車上，絞車通過繞在螺旋槳軸上的張線帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。在1989年的試飛中，達芬奇三號取得了離地20厘米、滯空8秒的成績。1994年，日本大學(xué)Akira Naito博士研制的百合花一號成為第二架成功飛起來的人力直升機。它有四個旋翼，每個旋翼帶有兩片槳葉，旋翼的直徑達10米。百合花一號的動力也是通過腳蹬提供。百合花一號取得了離地51厘米、滯空20秒的成績。

進入21世紀后，人們對人力直升機的研究熱情不減。馬里蘭大學(xué)的一個學(xué)生團隊為競爭西科斯基獎，研制出了Gamera系列（Gamera Ⅰ和Gamera Ⅱ）人力直升機。經(jīng)過不斷的優(yōu)化和改進，在今年6月份的試飛中，Gamera Ⅱ懸停時間達到了50秒。8月9日，GameraⅡ又創(chuàng)下了一個新的紀錄，懸停時間提升到了70秒，其中有4個人在地面協(xié)助控制飄移和偏航。

GameraⅡ保留了GameraⅠ成熟的四旋翼布局，總體布局及尺寸也和GameraⅠ一致。由于采用了新型材料和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，GameraⅡ重量比Gameral減少了33%（16千克），其中旋翼的重量減少了33%（10千克），機身重量減少了39%（5.7千克）。

先前的人力直升機一般只采用腳蹬驅(qū)動，而Gamera的特色是除了采用腳蹬驅(qū)動外，還增加了手柄驅(qū)動。試驗數(shù)據(jù)表明，增加手柄驅(qū)動確實提高了功率輸出。在最初的60秒時間里，手柄驅(qū)動使輸出功率提高了20%。然而隨著時間的延長，手柄驅(qū)動的優(yōu)勢有所減少。當駕駛員進入有氧運動階段時，為了長時間穩(wěn)定輸出動力，就需要降低功率輸出。

Gameta系列的性能

旋翼槳葉

GameraⅡ采用的是矩形、無扭轉(zhuǎn)槳葉，而GameraⅠ選擇了錐形無扭轉(zhuǎn)槳葉。地面效應(yīng)試驗結(jié)果表明，不論是正扭轉(zhuǎn)、負扭轉(zhuǎn)，還是無扭轉(zhuǎn)槳葉，在同一高度下地面效應(yīng)都表現(xiàn)相同，只有錐形槳葉性能有所提升。

Gamera貼地飛行時，槳葉揮舞彎曲變形很大，而且旋翼性能對高度變化非常敏感。Gamera團隊建立的基于葉素動量理論的旋翼模型能夠準確預(yù)測每個葉素的結(jié)構(gòu)彈性變形（撓度）和每個葉素的地面效應(yīng)，而不是靠槳轂的高度來估算。這種建模方法成為了GameraⅡ旋翼系統(tǒng)優(yōu)化改進的核心。

GameraⅡ空機重量的大部分（55%）來自旋翼。槳葉主要承力構(gòu)件——翼梁大約占槳葉重量的一半，前緣和后緣結(jié)構(gòu)占了另外一半。

GameraⅡ槳葉結(jié)構(gòu)的核心——翼梁，采用了三角桁架結(jié)構(gòu)，而不是傳統(tǒng)的管梁、D型梁或者工字梁。三角桁架主梁帽為碳纖維管。桁架單元通過碳纖維連接網(wǎng)纏繞在一起，這樣不僅降低了制作難度，還使其抗剪性能最優(yōu)。塑料泡沫條放置在連接網(wǎng)里面承受壓力，這種夾層結(jié)構(gòu)同時可以抵抗局部翹曲。塑料泡沫增重很少，但極大地增強了翼梁整體強度。

GameraⅠ的翼梁沿展向質(zhì)量均勻分布，而GameraⅡ輕型翼梁則是從槳根到槳尖逐步減小碳纖維管的直徑，這使翼梁重量減少了19%，槳尖變形保持原來的水平。

連接網(wǎng)比主梁帽重，約占主梁重量的明%。GameraⅡ主梁連接網(wǎng)采用24K網(wǎng)狀碳纖維束，重量比GameraⅠ使用的兩層50K網(wǎng)狀碳纖維束減少約45%。有限元計算分析表明，減重對于槳尖撓度變化影響很小，而且由于加固泡沫條的使用，在設(shè)計載荷下沒有局部翹曲。這兩項技術(shù)的應(yīng)用，使GameraⅡ主梁的重量減輕了30%。

Gamera Ⅰ槳葉前緣是熱切割粉色擠塑聚苯乙烯（XPS-extrudedpolystyrene）形成的一個整體式殼體結(jié)構(gòu)。它的特點是聯(lián)接點少，加工時間短，而且由于少用粘結(jié)劑而降低了重量，并且保證了翼型的精度。為了減重，GameraⅡ選擇了密度比XPS小40%的白色聚苯乙烯泡沫（EPS-expanded polystyrene），整體殼體切割得更薄，重量降低了45%左右。懸停試驗中發(fā)現(xiàn)EPS結(jié)構(gòu)的槳葉由于孔隙和表面粗糙度較高導(dǎo)致功耗增大。為了使其表面密封和平滑，前緣添加了一種類似后緣蒙皮的單層聚酯薄膜。隨后的測試表明，功耗降到與Gamera Ⅰ同一個水平。即使增加了聚酯薄膜重量，使用EPS材料減重效果依然明顯。

Gamera Ⅰ槳葉的后緣由輕質(zhì)泡沫翼肋、輕木楔形后緣和聚酯薄膜蒙皮構(gòu)成。有設(shè)計方案試圖將輕木楔形后緣更換為類似前緣采用的泡沫薄壁結(jié)構(gòu)那樣。但研究數(shù)據(jù)表明，Gamera Ⅰ的設(shè)計是最輕的。

Gamera Ⅱ機身的主骨是一副巨大的十字形桁架，2根橫梁相交，從中心到每個頂端的距離為18.3米，主要以泡沫塑料、聚酯薄膜以及碳纖維等制成。Gamera團隊沿用了槳葉主梁的設(shè)計思想，采用基于遺傳算法的優(yōu)化程序，研發(fā)了一種微桁架結(jié)構(gòu)的機身桁架，克服了Gamera Ⅰ機身結(jié)構(gòu)靜載變形大、承載能力不足的缺點，而且重量輕、屈服強度高。另外，Gamera團隊還研發(fā)了一種“輕型”微桁架，甚至可以取代最輕的碳纖維管。機身根部及桁架臂主梁上端主要采用“重型”微桁架，其他部分采用輕型微桁架。試驗結(jié)果表明，與線密度最小的碳纖維管相比，微桁架的屈服強度提高了將近620%，重量（5.7千克）比Gamera Ⅰ輕了39%，比沒有使用微桁架結(jié)構(gòu)的Gamera Ⅰ原型機機身輕了近一半，減重效果明顯。

傳動系統(tǒng)

Gamera Ⅱ沿用Gamera Ⅰ的絞盤驅(qū)動設(shè)計，通過滾卷四條高強度細繩將功率從座艙輸出到各組旋翼。一條足夠長（懸停60秒大約需要150米長）的細繩纏繞在滑輪上，滑輪固定在旋翼軸上。駕駛員手柄運動通過一個同步鏈，與腳踏板轉(zhuǎn)輪相連，將轉(zhuǎn)矩通過拉動細繩傳遞到四組旋翼。細繩通過一系列輕型重定向滑輪從機身進入座艙。這種傳動系統(tǒng)的優(yōu)點是簡化了機械傳動機構(gòu)，減重效果顯著。

Gamera Ⅱ的傳動系統(tǒng)增加了飛輪。因為單向傳動系統(tǒng)的缺點是旋翼的轉(zhuǎn)動慣量會影響駕駛員保持恒定轉(zhuǎn)速，而且傳動線系以及座艙結(jié)構(gòu)的彈性變形也會加劇駕駛員腳踏運動的脈沖效應(yīng)，引起手柄及腳踏板的不協(xié)調(diào)運動，浪費部分能量。飛輪能夠提供足夠的慣性，緩和駕駛員運動使其高效率輸出，增加輸出到旋翼的功率，但是卻使重量增加了500克。

Gamera Ⅰ為了在短時間內(nèi)實現(xiàn)懸停，腳蹬轉(zhuǎn)速設(shè)置為120RPM，這樣輸出功率最大。Gamera Ⅱ則采用了90RPM的轉(zhuǎn)速，這樣適合更長時間的懸停。

座艙

Gamera Ⅱ座艙采用自定義尺寸裝置，可以調(diào)整座艙大小，以適應(yīng)不同的駕駛員。除了舒適性要求，座艙還要足夠結(jié)實，確保能輸出和傳遞最大功率。座艙的主要承力結(jié)構(gòu)采用了纖維纏繞概念的三維桁架，不僅重量輕，更為關(guān)鍵的是這種結(jié)構(gòu)使駕駛員與手柄、腳踏板之間獲得剛性連接，克服了Gamera Ⅰ手柄、腳踏板與座艙連接處彈性變形容易導(dǎo)致手柄和腳踏板鏈輪錯位的缺陷。座艙其他的三維桁架將傳動系統(tǒng)同駕駛員座椅和機身連接在了一起。另外，座艙通過三個u形緊固件與機身連接，方便拆卸和運輸。

手柄采用全新的多態(tài)軸胎，外形復(fù)雜，制造成本低，舒適性好，而且每個碳纖維手柄只有16克重，已經(jīng)成功地在GameraⅠ上得到了應(yīng)用。

結(jié)語

GameraⅡ的成功飛行將人力直升機的飛行記錄提高了一大步，這無疑是振奮人心的，但要實現(xiàn)像人力固定翼飛機那樣長時間飛行，還有很長的路要走。人力直升機成功的瓶頸在于非常有限的可用功率，也就是人的體能。目前來看，解決人力直升機飛行時間問題的主要途徑是減輕飛行器的重量。這就要依賴于在材料和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的突破性技術(shù)進展。同時，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用也將會對其他工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響。另外，也可以從提高人體體能使用效率、旋翼效率以及傳動效率等方面考慮，研究新型機構(gòu)、采用工業(yè)部門先進旋翼技術(shù)、開發(fā)新構(gòu)型傳動機構(gòu)。在航空技術(shù)史上，有很多曾經(jīng)被認為是不可能的甚至如天方夜譚般的設(shè)想最后都被人類實現(xiàn)了。人力直升機也許也是這許多不可能之中的一個吧。