论文部分内容阅读
早在1979年，美国的麦克·克莱迪博士设计的“薄翼秃鹰”人力固定翼飞机就成功飞跃了英吉利海峡。而1980年美国直升机协会设立的人力驱动旋翼机设计竞赛，却在过去的30多年里无人问鼎。此项比赛要求旋翼飞行器仅在人力驱动下在离地3米的高度悬停至少60秒。人力直升机，即仅依靠人力提供飞行动力和操纵的旋翼飞行器，为何它远远落后于人力固定翼飞机的发展，一个关键因素是固定翼飞机可以充分利用在前进过程中流过机翼的大量空气从而产生升力。直升机没有固定双翼，因此至少得提供比固定翼飞机多15倍的力量才能起飞，可见，在人力有限的情况下，后者获得成功的可能性远远大于前者。
人力直升机最新进展
至今，只有三款人力直升机离开了地面。第一架是美国加州理工大学的师生们设计制造的达芬奇三号（LeonardoDa Vinci Ⅲ）。它的旋翼直径达到了30米，有两片桨叶，桨叶由位于桨尖的螺旋桨推动。驾驶员通过脚蹬将动力传到绞车上，绞车通过绕在螺旋桨轴上的张线带动螺旋桨旋转。在1989年的试飞中，达芬奇三号取得了离地20厘米、滞空8秒的成绩。1994年，日本大学Akira Naito博士研制的百合花一号成为第二架成功飞起来的人力直升机。它有四个旋翼，每个旋翼带有两片桨叶，旋翼的直径达10米。百合花一号的动力也是通过脚蹬提供。百合花一号取得了离地51厘米、滞空20秒的成绩。
进入21世纪后，人们对人力直升机的研究热情不减。马里兰大学的一个学生团队为竞争西科斯基奖，研制出了Gamera系列（Gamera Ⅰ和Gamera Ⅱ）人力直升机。经过不断的优化和改进，在今年6月份的试飞中，Gamera Ⅱ悬停时间达到了50秒。8月9日，GameraⅡ又创下了一个新的纪录，悬停时间提升到了70秒，其中有4个人在地面协助控制飘移和偏航。
GameraⅡ保留了GameraⅠ成熟的四旋翼布局，总体布局及尺寸也和GameraⅠ一致。由于采用了新型材料和轻质结构，GameraⅡ重量比Gameral减少了33%（16千克），其中旋翼的重量减少了33%（10千克），机身重量减少了39%（5.7千克）。
先前的人力直升机一般只采用脚蹬驱动，而Gamera的特色是除了采用脚蹬驱动外，还增加了手柄驱动。试验数据表明，增加手柄驱动确实提高了功率输出。在最初的60秒时间里，手柄驱动使输出功率提高了20%。然而随着时间的延长，手柄驱动的优势有所减少。当驾驶员进入有氧运动阶段时，为了长时间稳定输出动力，就需要降低功率输出。
Gameta系列的性能
旋翼桨叶
GameraⅡ采用的是矩形、无扭转桨叶，而GameraⅠ选择了锥形无扭转桨叶。地面效应试验结果表明，不论是正扭转、负扭转，还是无扭转桨叶，在同一高度下地面效应都表现相同，只有锥形桨叶性能有所提升。
Gamera贴地飞行时，桨叶挥舞弯曲变形很大，而且旋翼性能对高度变化非常敏感。Gamera团队建立的基于叶素动量理论的旋翼模型能够准确预测每个叶素的结构弹性变形（挠度）和每个叶素的地面效应，而不是靠桨毂的高度来估算。这种建模方法成为了GameraⅡ旋翼系统优化改进的核心。
GameraⅡ空机重量的大部分（55%）来自旋翼。桨叶主要承力构件——翼梁大约占桨叶重量的一半，前缘和后缘结构占了另外一半。
GameraⅡ桨叶结构的核心——翼梁，采用了三角桁架结构，而不是传统的管梁、D型梁或者工字梁。三角桁架主梁帽为碳纤维管。桁架单元通过碳纤维连接网缠绕在一起，这样不仅降低了制作难度，还使其抗剪性能最优。塑料泡沫条放置在连接网里面承受压力，这种夹层结构同时可以抵抗局部翘曲。塑料泡沫增重很少，但极大地增强了翼梁整体强度。
GameraⅠ的翼梁沿展向质量均匀分布，而GameraⅡ轻型翼梁则是从桨根到桨尖逐步减小碳纤维管的直径，这使翼梁重量减少了19%，桨尖变形保持原来的水平。
连接网比主梁帽重，约占主梁重量的明%。GameraⅡ主梁连接网采用24K网状碳纤维束，重量比GameraⅠ使用的两层50K网状碳纤维束减少约45%。有限元计算分析表明，减重对于桨尖挠度变化影响很小，而且由于加固泡沫条的使用，在设计载荷下没有局部翘曲。这两项技术的应用，使GameraⅡ主梁的重量减轻了30%。
Gamera Ⅰ桨叶前缘是热切割粉色挤塑聚苯乙烯（XPS-extrudedpolystyrene）形成的一个整体式壳体结构。它的特点是联接点少，加工时间短，而且由于少用粘结剂而降低了重量，并且保证了翼型的精度。为了减重，GameraⅡ选择了密度比XPS小40%的白色聚苯乙烯泡沫（EPS-expanded polystyrene），整体壳体切割得更薄，重量降低了45%左右。悬停试验中发现EPS结构的桨叶由于孔隙和表面粗糙度较高导致功耗增大。为了使其表面密封和平滑，前缘添加了一种类似后缘蒙皮的单层聚酯薄膜。随后的测试表明，功耗降到与Gamera Ⅰ同一个水平。即使增加了聚酯薄膜重量，使用EPS材料减重效果依然明显。
Gamera Ⅰ桨叶的后缘由轻质泡沫翼肋、轻木楔形后缘和聚酯薄膜蒙皮构成。有设计方案试图将轻木楔形后缘更换为类似前缘采用的泡沫薄壁结构那样。但研究数据表明，Gamera Ⅰ的设计是最轻的。
Gamera Ⅱ机身的主骨是一副巨大的十字形桁架，2根横梁相交，从中心到每个顶端的距离为18.3米，主要以泡沫塑料、聚酯薄膜以及碳纤维等制成。Gamera团队沿用了桨叶主梁的设计思想，采用基于遗传算法的优化程序，研发了一种微桁架结构的机身桁架，克服了Gamera Ⅰ机身结构静载变形大、承载能力不足的缺点，而且重量轻、屈服强度高。另外，Gamera团队还研发了一种“轻型”微桁架，甚至可以取代最轻的碳纤维管。机身根部及桁架臂主梁上端主要采用“重型”微桁架，其他部分采用轻型微桁架。试验结果表明，与线密度最小的碳纤维管相比，微桁架的屈服强度提高了将近620%，重量（5.7千克）比Gamera Ⅰ轻了39%，比没有使用微桁架结构的Gamera Ⅰ原型机机身轻了近一半，减重效果明显。 传动系统
Gamera Ⅱ沿用Gamera Ⅰ的绞盘驱动设计，通过滚卷四条高强度细绳将功率从座舱输出到各组旋翼。一条足够长（悬停60秒大约需要150米长）的细绳缠绕在滑轮上，滑轮固定在旋翼轴上。驾驶员手柄运动通过一个同步链，与脚踏板转轮相连，将转矩通过拉动细绳传递到四组旋翼。细绳通过一系列轻型重定向滑轮从机身进入座舱。这种传动系统的优点是简化了机械传动机构，减重效果显著。
Gamera Ⅱ的传动系统增加了飞轮。因为单向传动系统的缺点是旋翼的转动惯量会影响驾驶员保持恒定转速，而且传动线系以及座舱结构的弹性变形也会加剧驾驶员脚踏运动的脉冲效应，引起手柄及脚踏板的不协调运动，浪费部分能量。飞轮能够提供足够的惯性，缓和驾驶员运动使其高效率输出，增加输出到旋翼的功率，但是却使重量增加了500克。
Gamera Ⅰ为了在短时间内实现悬停，脚蹬转速设置为120RPM，这样输出功率最大。Gamera Ⅱ则采用了90RPM的转速，这样适合更长时间的悬停。
座舱
Gamera Ⅱ座舱采用自定义尺寸装置，可以调整座舱大小，以适应不同的驾驶员。除了舒适性要求，座舱还要足够结实，确保能输出和传递最大功率。座舱的主要承力结构采用了纤维缠绕概念的三维桁架，不仅重量轻，更为关键的是这种结构使驾驶员与手柄、脚踏板之间获得刚性连接，克服了Gamera Ⅰ手柄、脚踏板与座舱连接处弹性变形容易导致手柄和脚踏板链轮错位的缺陷。座舱其他的三维桁架将传动系统同驾驶员座椅和机身连接在了一起。另外，座舱通过三个u形紧固件与机身连接，方便拆卸和运输。
手柄采用全新的多态轴胎，外形复杂，制造成本低，舒适性好，而且每个碳纤维手柄只有16克重，已经成功地在GameraⅠ上得到了应用。
结语
GameraⅡ的成功飞行将人力直升机的飞行记录提高了一大步，这无疑是振奋人心的，但要实现像人力固定翼飞机那样长时间飞行，还有很长的路要走。人力直升机成功的瓶颈在于非常有限的可用功率，也就是人的体能。目前来看，解决人力直升机飞行时间问题的主要途径是减轻飞行器的重量。这就要依赖于在材料和结构领域的突破性技术进展。同时，相关技术的研发和应用也将会对其他工业领域产生积极影响。另外，也可以从提高人体体能使用效率、旋翼效率以及传动效率等方面考虑，研究新型机构、采用工业部门先进旋翼技术、开发新构型传动机构。在航空技术史上，有很多曾经被认为是不可能的甚至如天方夜谭般的设想最后都被人类实现了。人力直升机也许也是这许多不可能之中的一个吧。
人力直升机最新进展
至今，只有三款人力直升机离开了地面。第一架是美国加州理工大学的师生们设计制造的达芬奇三号（LeonardoDa Vinci Ⅲ）。它的旋翼直径达到了30米，有两片桨叶，桨叶由位于桨尖的螺旋桨推动。驾驶员通过脚蹬将动力传到绞车上，绞车通过绕在螺旋桨轴上的张线带动螺旋桨旋转。在1989年的试飞中，达芬奇三号取得了离地20厘米、滞空8秒的成绩。1994年，日本大学Akira Naito博士研制的百合花一号成为第二架成功飞起来的人力直升机。它有四个旋翼，每个旋翼带有两片桨叶，旋翼的直径达10米。百合花一号的动力也是通过脚蹬提供。百合花一号取得了离地51厘米、滞空20秒的成绩。
进入21世纪后，人们对人力直升机的研究热情不减。马里兰大学的一个学生团队为竞争西科斯基奖，研制出了Gamera系列（Gamera Ⅰ和Gamera Ⅱ）人力直升机。经过不断的优化和改进，在今年6月份的试飞中，Gamera Ⅱ悬停时间达到了50秒。8月9日，GameraⅡ又创下了一个新的纪录，悬停时间提升到了70秒，其中有4个人在地面协助控制飘移和偏航。
GameraⅡ保留了GameraⅠ成熟的四旋翼布局，总体布局及尺寸也和GameraⅠ一致。由于采用了新型材料和轻质结构，GameraⅡ重量比Gameral减少了33%（16千克），其中旋翼的重量减少了33%（10千克），机身重量减少了39%（5.7千克）。
先前的人力直升机一般只采用脚蹬驱动，而Gamera的特色是除了采用脚蹬驱动外，还增加了手柄驱动。试验数据表明，增加手柄驱动确实提高了功率输出。在最初的60秒时间里，手柄驱动使输出功率提高了20%。然而随着时间的延长，手柄驱动的优势有所减少。当驾驶员进入有氧运动阶段时，为了长时间稳定输出动力，就需要降低功率输出。
Gameta系列的性能
旋翼桨叶
GameraⅡ采用的是矩形、无扭转桨叶，而GameraⅠ选择了锥形无扭转桨叶。地面效应试验结果表明，不论是正扭转、负扭转，还是无扭转桨叶，在同一高度下地面效应都表现相同，只有锥形桨叶性能有所提升。
Gamera贴地飞行时，桨叶挥舞弯曲变形很大，而且旋翼性能对高度变化非常敏感。Gamera团队建立的基于叶素动量理论的旋翼模型能够准确预测每个叶素的结构弹性变形（挠度）和每个叶素的地面效应，而不是靠桨毂的高度来估算。这种建模方法成为了GameraⅡ旋翼系统优化改进的核心。
GameraⅡ空机重量的大部分（55%）来自旋翼。桨叶主要承力构件——翼梁大约占桨叶重量的一半，前缘和后缘结构占了另外一半。
GameraⅡ桨叶结构的核心——翼梁，采用了三角桁架结构，而不是传统的管梁、D型梁或者工字梁。三角桁架主梁帽为碳纤维管。桁架单元通过碳纤维连接网缠绕在一起，这样不仅降低了制作难度，还使其抗剪性能最优。塑料泡沫条放置在连接网里面承受压力，这种夹层结构同时可以抵抗局部翘曲。塑料泡沫增重很少，但极大地增强了翼梁整体强度。
GameraⅠ的翼梁沿展向质量均匀分布，而GameraⅡ轻型翼梁则是从桨根到桨尖逐步减小碳纤维管的直径，这使翼梁重量减少了19%，桨尖变形保持原来的水平。
连接网比主梁帽重，约占主梁重量的明%。GameraⅡ主梁连接网采用24K网状碳纤维束，重量比GameraⅠ使用的两层50K网状碳纤维束减少约45%。有限元计算分析表明，减重对于桨尖挠度变化影响很小，而且由于加固泡沫条的使用，在设计载荷下没有局部翘曲。这两项技术的应用，使GameraⅡ主梁的重量减轻了30%。
Gamera Ⅰ桨叶前缘是热切割粉色挤塑聚苯乙烯（XPS-extrudedpolystyrene）形成的一个整体式壳体结构。它的特点是联接点少，加工时间短，而且由于少用粘结剂而降低了重量，并且保证了翼型的精度。为了减重，GameraⅡ选择了密度比XPS小40%的白色聚苯乙烯泡沫（EPS-expanded polystyrene），整体壳体切割得更薄，重量降低了45%左右。悬停试验中发现EPS结构的桨叶由于孔隙和表面粗糙度较高导致功耗增大。为了使其表面密封和平滑，前缘添加了一种类似后缘蒙皮的单层聚酯薄膜。随后的测试表明，功耗降到与Gamera Ⅰ同一个水平。即使增加了聚酯薄膜重量，使用EPS材料减重效果依然明显。
Gamera Ⅰ桨叶的后缘由轻质泡沫翼肋、轻木楔形后缘和聚酯薄膜蒙皮构成。有设计方案试图将轻木楔形后缘更换为类似前缘采用的泡沫薄壁结构那样。但研究数据表明，Gamera Ⅰ的设计是最轻的。
Gamera Ⅱ机身的主骨是一副巨大的十字形桁架，2根横梁相交，从中心到每个顶端的距离为18.3米，主要以泡沫塑料、聚酯薄膜以及碳纤维等制成。Gamera团队沿用了桨叶主梁的设计思想，采用基于遗传算法的优化程序，研发了一种微桁架结构的机身桁架，克服了Gamera Ⅰ机身结构静载变形大、承载能力不足的缺点，而且重量轻、屈服强度高。另外，Gamera团队还研发了一种“轻型”微桁架，甚至可以取代最轻的碳纤维管。机身根部及桁架臂主梁上端主要采用“重型”微桁架，其他部分采用轻型微桁架。试验结果表明，与线密度最小的碳纤维管相比，微桁架的屈服强度提高了将近620%，重量（5.7千克）比Gamera Ⅰ轻了39%，比没有使用微桁架结构的Gamera Ⅰ原型机机身轻了近一半，减重效果明显。 传动系统
Gamera Ⅱ沿用Gamera Ⅰ的绞盘驱动设计，通过滚卷四条高强度细绳将功率从座舱输出到各组旋翼。一条足够长（悬停60秒大约需要150米长）的细绳缠绕在滑轮上，滑轮固定在旋翼轴上。驾驶员手柄运动通过一个同步链，与脚踏板转轮相连，将转矩通过拉动细绳传递到四组旋翼。细绳通过一系列轻型重定向滑轮从机身进入座舱。这种传动系统的优点是简化了机械传动机构，减重效果显著。
Gamera Ⅱ的传动系统增加了飞轮。因为单向传动系统的缺点是旋翼的转动惯量会影响驾驶员保持恒定转速，而且传动线系以及座舱结构的弹性变形也会加剧驾驶员脚踏运动的脉冲效应，引起手柄及脚踏板的不协调运动，浪费部分能量。飞轮能够提供足够的惯性，缓和驾驶员运动使其高效率输出，增加输出到旋翼的功率，但是却使重量增加了500克。
Gamera Ⅰ为了在短时间内实现悬停，脚蹬转速设置为120RPM，这样输出功率最大。Gamera Ⅱ则采用了90RPM的转速，这样适合更长时间的悬停。
座舱
Gamera Ⅱ座舱采用自定义尺寸装置，可以调整座舱大小，以适应不同的驾驶员。除了舒适性要求，座舱还要足够结实，确保能输出和传递最大功率。座舱的主要承力结构采用了纤维缠绕概念的三维桁架，不仅重量轻，更为关键的是这种结构使驾驶员与手柄、脚踏板之间获得刚性连接，克服了Gamera Ⅰ手柄、脚踏板与座舱连接处弹性变形容易导致手柄和脚踏板链轮错位的缺陷。座舱其他的三维桁架将传动系统同驾驶员座椅和机身连接在了一起。另外，座舱通过三个u形紧固件与机身连接，方便拆卸和运输。
手柄采用全新的多态轴胎，外形复杂，制造成本低，舒适性好，而且每个碳纤维手柄只有16克重，已经成功地在GameraⅠ上得到了应用。
结语
GameraⅡ的成功飞行将人力直升机的飞行记录提高了一大步，这无疑是振奋人心的，但要实现像人力固定翼飞机那样长时间飞行，还有很长的路要走。人力直升机成功的瓶颈在于非常有限的可用功率，也就是人的体能。目前来看，解决人力直升机飞行时间问题的主要途径是减轻飞行器的重量。这就要依赖于在材料和结构领域的突破性技术进展。同时，相关技术的研发和应用也将会对其他工业领域产生积极影响。另外，也可以从提高人体体能使用效率、旋翼效率以及传动效率等方面考虑，研究新型机构、采用工业部门先进旋翼技术、开发新构型传动机构。在航空技术史上，有很多曾经被认为是不可能的甚至如天方夜谭般的设想最后都被人类实现了。人力直升机也许也是这许多不可能之中的一个吧。