淺談人力直升機設(shè)計及其改進方案

丁露+++鮑四元+++孫徐莉+++紀剛

摘 要：人力直升機是一種通過人力來帶動機翼轉(zhuǎn)動而起飛的直升機。該文主要研究人力直升機的起源，研究過程，近幾年的發(fā)展，以及最后提出的改進方案。首先介紹了人力直升機的歷史起源；其次分析了由各個國家的研究人員研制的人力直升機成功試飛的案例；然后通過分析飛機的設(shè)計結(jié)構(gòu)、所采用的材料、相關(guān)數(shù)據(jù)，以及對試飛時滯空的時間進行對比，得出改進人力直升機的方案；最后綜述了人力直升機的研究前景，使其具有旅游，運輸，健身等實用價值。

關(guān)鍵詞：人力 直升機 傳動裝置 材料 展望

中圖分類號：V221.8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（b）-0063-02

人力直升機是靠人力帶動機翼旋轉(zhuǎn)而獲得升力的。其最早的模型來源于晉朝抱樸子內(nèi)篇中，是由棗木做的竹蜻蜓和牛革做的環(huán)劍兩部份構(gòu)成。20年代末，美國開始研制依靠人力

驅(qū)動旋翼的直升機，飛機被命名為“達·芬奇”。

1985年04月01日，由陳敦源提出申請人力直升機專利：本發(fā)明屬于航空科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域.對氣體傳動動效率，使用材料方面，結(jié)構(gòu)和傳動裝置的設(shè)計等有較高的要求，將人的動能轉(zhuǎn)換成高的機械能，主要借飛輪來實現(xiàn)，當飛輪旋轉(zhuǎn)達到一定速度時，它將儲存動能.將動能轉(zhuǎn)化為機械能。人力飛機是用人力作為動能，旋翼旋轉(zhuǎn)時而產(chǎn)生向上的升力。

此后，美國，加拿大，英國，日本等國家的高校大學(xué)生以及社會各界愛好研究飛機人士對成功試飛人力直升機的研究都有不同程度的進展。2011年5月，美國馬里蘭大學(xué)50名工程師經(jīng)過兩年的試驗研究分析，制造出了一架人力驅(qū)動的直升機，駕駛者只要快速蹬踏板就可以為飛機提供動力 。2011年，馬里蘭大學(xué)的學(xué)生駕駛他們的“加美拉1號”飛行了11.4 s。該飛行器隨后重新設(shè)計，增大了旋翼面積，在2012年8月，“加美拉2號”飛行了65.1 s，創(chuàng)造了人力直升機滯空時間的世界紀錄。

該文運用空氣動力學(xué)分析了人力直升機的飛行理論[1]。并根據(jù)既有研究以及三個人力直升機成功試飛的案例，分析比較案例中人力直升機的結(jié)構(gòu)，材料等不同之處而綜合得出現(xiàn)有人力直升機的研究發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。

1 人力直升機飛行的基本理論

飛機在飛行中受的力可分為升力、重力、阻力、推力[2]。

升力由機翼提供，是翼型因為流過其上下表面的氣流速度的變化而產(chǎn)生的。由伯努利方程可知，流體的速度越大，靜壓力越小，速度越小，靜壓力越大，因此設(shè)法使機翼上部空氣流速較快，靜壓力則較小，機翼下部空氣流速較慢，靜壓力較大，兩邊互相較力，于是機翼就被往上推，因而上下表面的壓差就產(chǎn)生凈升力。

重力由地心引力產(chǎn)生；阻力由空氣產(chǎn)生，飛機在飛行中所受到的阻力可分為四類：摩

擦阻力、形狀阻力、誘導(dǎo)阻力、寄生阻力[3]。無動力飛機重點在減少誘導(dǎo)阻力，誘導(dǎo)阻力是機翼的翼端部因上下壓力差，空氣會從壓力大的方向往壓力小的方向移動，部分空氣不會規(guī)規(guī)矩矩往后移動，而從旁邊往上翻[2]，在兩端產(chǎn)生渦流而產(chǎn)生的；推力由引擎提供，而人力直升機的推力不是靠引擎來提供的，是靠人力。

根據(jù)既有研究發(fā)現(xiàn)：影響升力和阻力的因素主要有：雷諾數(shù)、升力系數(shù)（）、阻力系數(shù)（）.在飛行中雷諾數(shù)等于飛機的長度與速度的乘積除以空氣的動力黏度，即其中，分別為流體的流速，密度與黏性系數(shù)，為一特征長度。升力系數(shù)是升力與氣流動壓和參考面積的乘積之比，其中分別為升力，動壓，參考面積。（參考面積指機翼面積）。阻力系數(shù)是阻力與氣流動壓和參考面積的乘積之比，其中為阻力[4]。

2 人力直升機成功試飛的案例對比分析

第一架離開地面的人力直升機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。旋翼直徑是30m，兩片槳葉[5]。槳葉通過螺旋槳推動，螺旋槳旋轉(zhuǎn)是由駕駛員通過腳蹬產(chǎn)生的動力而帶動螺旋軸上的張線運轉(zhuǎn)。成績是離地20 cm，滯空8 s。1994年，日本大學(xué)博士研究的百合花一號有四個旋翼，每個旋翼帶有兩片槳葉，旋翼直徑是達芬奇三號的。其中動力裝置與達芬奇三號一致。但是由于旋翼不同，試飛成績達到離地高度51 cm，滯空時間20 s。

2012年8月，由美國馬里蘭大學(xué)的學(xué)生們研制的“卡美拉”人力直升機成功升空，在10 m直徑的范圍內(nèi)讓”卡美拉”2號直升機在離地面3 m的高度盤旋了60 s。直升機占地面積約一個標準足球場面積的，采用輕質(zhì)木材、泡沫、聚酯薄膜和碳纖維制造。碳纖維（Carbon Fiber）是一種纖維狀的碳素材料，具有良好的力學(xué)性能，拉伸強度約為2～7 GPa，拉伸模量約為200～700 GPa[6]。直徑一般約為5～7 ，大約是成年人頭發(fā)直徑的十分之一。因此重量很輕，密度約為1.5～2.0 g/cm2，僅為鋼的四分之一。采用碳纖維制作人力直升機可減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量，從而增加飛機有效載荷，最終提高傳動效率。[7]所以飛機本身的重量只有63.5 kg。它身長18.29 m，呈X形狀，駕駛者坐在正中心。每只機臂長60英尺，末端安裝一個直徑約為12.8 m的水平旋翼。而駕駛者只有通過快速蹬踩踏板，使旋翼獲得一定的轉(zhuǎn)速，才能讓飛機得到足夠的推力而飛上天空。這就要求至少得提供比普通飛機多十幾倍的力量才能起飛。而其飛機的駕駛者是24歲的生物學(xué)女學(xué)生朱迪·威克斯勒，創(chuàng)下了第一位女性駕駛?cè)肆χ鄙龣C的記錄。選朱迪·威克斯勒來試飛，就是因為她體重較輕，可以減少直升機的負荷；另外她作為一名自行車手，具有較好的身體素質(zhì)，能夠保證有足夠的力氣蹬踩踏板。

卡美拉相比于其他試飛成功的人力直升機來說，總體布局變化不大，但是采用了輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和新型材料，重量減少。此外，卡美拉除了采用腳蹬裝置，還附加了手柄驅(qū)動，提高了輸出功率。其轉(zhuǎn)速是90 RPM，從而可以實現(xiàn)更長時間的懸停。

3 人力直升機方案的改進

改進傳動裝置：單向傳動系統(tǒng)的缺點是旋翼的轉(zhuǎn)動慣量會使駕駛員無法保持恒定轉(zhuǎn)速.而且用高強度細線制成的傳動裝置和座艙結(jié)構(gòu)的彈性變形也會影響駕駛員腳踏運動的協(xié)調(diào)性，浪費部分能量。如果加入飛輪，讓駕駛員在蹬腳踏裝置的同時也能轉(zhuǎn)動手輪。飛輪能夠提供足夠的慣性，在駕駛員運動時使其高效率輸出，增加輸出功率，從而延長滯空時間。

使用新型纖維材料：新型纖維材料具有輕質(zhì)高強，外柔內(nèi)剛的特點，不僅能解決飛機本身質(zhì)量大的問題，同時也能滿足強度的要求。

優(yōu)化機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)：機翼在旋轉(zhuǎn)時受力復(fù)雜，要維持機翼良好的氣動外可以采用優(yōu)化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，既可以保證其安全性和穩(wěn)定性，同時發(fā)揮材料的最好性能，從而減少材料的使用，減輕整機質(zhì)量。

4 結(jié)論與展望

通過分析案例，提出改進人力直升機的三個方面，分別是改進傳動系統(tǒng)，研發(fā)使用輕質(zhì)高強的纖維材料，優(yōu)化機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

由于人的動力有限，現(xiàn)有人力直升機效率低，實用性差[7]。世界各國對人力直升機的研究主要集中在對新型材料的使用，以期減小直升機的重量。材料的研發(fā)成為制約人力直升機的瓶頸。因此，人們應(yīng)把研究方向改為對直升機的各部件的優(yōu)化，只有整體的協(xié)調(diào)和穩(wěn)定才是人力直升機起飛的保證。同時應(yīng)致力于如何讓人力直升機具有實用價值，如作為運輸、旅游、健身等用途。具有實用價值的研究才是有意義的。研究人力直升機可以激勵人們思考什么是可能的，什么不可能。這將改變?nèi)藗兊乃季S方式。

參考文獻

[1] 梅新玖.無人直升機自主飛行策略研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[2] 徐慶華.橡筋動力飛機的空氣動力學(xué)原理與調(diào)校[M].廣西南寧：2011.

[3] 周翔.飛行事故的性能對比與分析[M].上海市：2010.

[4] 張新宇，顧洪斌，陳立紅.超燃沖壓模型發(fā)動機性能試驗研究.第十一屆全國激波與激波管學(xué)術(shù)會議，中國科學(xué)院力學(xué)研究所，2004-09-01.

[5] 高雷.碳纖維（CF）表面改性及CF-Cu（Cr）復(fù)合材料的制備與性能[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[6] 高麗紅，楊利.某型飛機用PMI泡沫夾層復(fù)合材料的設(shè)計[J].航空工程進展， 2010（4）：374-378.endprint