淺談人力直升機(jī)設(shè)計(jì)及其改進(jìn)方案

摘 要：人力直升機(jī)是一種通過人力來帶動(dòng)機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)而起飛的直升機(jī)。該文主要研究人力直升機(jī)的起源，研究過程，近幾年的發(fā)展，以及最后提出的改進(jìn)方案。首先介紹了人力直升機(jī)的歷史起源；其次分析了由各個(gè)國家的研究人員研制的人力直升機(jī)成功試飛的案例；然后通過分析飛機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、所采用的材料、相關(guān)數(shù)據(jù)，以及對(duì)試飛時(shí)滯空的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，得出改進(jìn)人力直升機(jī)的方案；最后綜述了人力直升機(jī)的研究前景，使其具有旅游，運(yùn)輸，健身等實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：人力 直升機(jī) 傳動(dòng)裝置 材料 展望

中圖分類號(hào)：V221.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（b）-0063-02

人力直升機(jī)是靠人力帶動(dòng)機(jī)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(dòng)旋翼的直升機(jī)，飛機(jī)被命名為“達(dá)·芬奇”。

1985年04月01日，由陳敦源提出申請(qǐng)人力直升機(jī)專利：本發(fā)明屬于航空科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域.對(duì)氣體傳動(dòng)動(dòng)效率，使用材料方面，結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)等有較高的要求，將人的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成高的機(jī)械能，主要借飛輪來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)飛輪旋轉(zhuǎn)達(dá)到一定速度時(shí)，它將儲(chǔ)存動(dòng)能.將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。人力飛機(jī)是用人力作為動(dòng)能，旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)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(huì)各界愛好研究飛機(jī)人士對(duì)成功試飛人力直升機(jī)的研究都有不同程度的進(jìn)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(yàn)研究分析，制造出了一架人力驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)，駕駛者只要快速蹬踏板就可以為飛機(jī)提供動(dòng)力 。2011年，馬里蘭大學(xué)的學(xué)生駕駛他們的“加美拉1號(hào)”飛行了11.4 s。該飛行器隨后重新設(shè)計(jì)，增大了旋翼面積，在2012年8月，“加美拉2號(hào)”飛行了65.1 s，創(chuàng)造了人力直升機(jī)滯空時(shí)間的世界紀(jì)錄。

該文運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)分析了人力直升機(jī)的飛行理論[1]。并根據(jù)既有研究以及三個(gè)人力直升機(jī)成功試飛的案例，分析比較案例中人力直升機(jī)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(jī)的研究發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。

1 人力直升機(jī)飛行的基本理論

飛機(jī)在飛行中受的力可分為升力、重力、阻力、推力[2]。

升力由機(jī)翼提供，是翼型因?yàn)榱鬟^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(jī)翼上部空氣流速較快，靜壓力則較小，機(jī)翼下部空氣流速較慢，靜壓力較大，兩邊互相較力，于是機(jī)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(jī)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(dòng)力飛機(jī)重點(diǎn)在減少誘導(dǎo)阻力，誘導(dǎo)阻力是機(jī)翼的翼端部因上下壓力差，空氣會(huì)從壓力大的方向往壓力小的方向移動(dòng)，部分空氣不會(huì)規(guī)規(guī)矩矩往后移動(dòng)，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(jī)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(jī)的長度與速度的乘積除以空氣的動(dòng)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(dòng)壓和參考面積的乘積之比，其中分別為升力，動(dòng)壓，參考面積。（參考面積指機(jī)翼面積）。阻力系數(shù)是阻力與氣流動(dòng)壓和參考面積的乘積之比，其中為阻力[4]。

2 人力直升機(jī)成功試飛的案例對(duì)比分析

第一架離開地面的人力直升機(jī)是美國加州理工大學(xué)的師生們設(shè)計(jì)制造的達(dá)芬奇三號(hào)。旋翼直徑是30m，兩片槳葉[5]。槳葉通過螺旋槳推動(dòng)，螺旋槳旋轉(zhuǎn)是由駕駛員通過腳蹬產(chǎn)生的動(dòng)力而帶動(dòng)螺旋軸上的張線運(yùn)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(hào)有四個(gè)旋翼，每個(gè)旋翼帶有兩片槳葉，旋翼直徑是達(dá)芬奇三號(hào)的。其中動(dòng)力裝置與達(dá)芬奇三號(hào)一致。但是由于旋翼不同，試飛成績達(dá)到離地高度51 cm，滯空時(shí)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(jī)成功升空，在10 m直徑的范圍內(nèi)讓”卡美拉”2號(hào)直升機(jī)在離地面3 m的高度盤旋了60 s。直升機(jī)占地面積約一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(jī)可減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，從而增加飛機(jī)有效載荷，最終提高傳動(dòng)效率。[7]所以飛機(jī)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(jī)臂長60英尺，末端安裝一個(gè)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(jī)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(jī)多十幾倍的力量才能起飛。而其飛機(jī)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(jī)的記錄。選朱迪·威克斯勒來試飛，就是因?yàn)樗w重較輕，可以減少直升機(jī)的負(fù)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(jī)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(dòng)，提高了輸出功率。其轉(zhuǎn)速是90 RPM，從而可以實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的懸停。

3 人力直升機(jī)方案的改進(jìn)

改進(jìn)傳動(dòng)裝置：單向傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)使駕駛員無法保持恒定轉(zhuǎn)速.而且用高強(qiáng)度細(xì)線制成的傳動(dòng)裝置和座艙結(jié)構(gòu)的彈性變形也會(huì)影響駕駛員腳踏運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，浪費(fèi)部分能量。如果加入飛輪，讓駕駛員在蹬腳踏裝置的同時(shí)也能轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。飛輪能夠提供足夠的慣性，在駕駛員運(yùn)動(dòng)時(shí)使其高效率輸出，增加輸出功率，從而延長滯空時(shí)間。

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

優(yōu)化機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)：機(jī)翼在旋轉(zhuǎn)時(shí)受力復(fù)雜，要維持機(jī)翼良好的氣動(dòng)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(shí)發(fā)揮材料的最好性能，從而減少材料的使用，減輕整機(jī)質(zhì)量。

4 結(jié)論與展望

通過分析案例，提出改進(jìn)人力直升機(jī)的三個(gè)方面，分別是改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)，研發(fā)使用輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維材料，優(yōu)化機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

由于人的動(dòng)力有限，現(xiàn)有人力直升機(jī)效率低，實(shí)用性差[7]。世界各國對(duì)人力直升機(jī)的研究主要集中在對(duì)新型材料的使用，以期減小直升機(jī)的重量。材料的研發(fā)成為制約人力直升機(jī)的瓶頸。因此，人們應(yīng)把研究方向改為對(duì)直升機(jī)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(jī)起飛的保證。同時(shí)應(yīng)致力于如何讓人力直升機(jī)具有實(shí)用價(jià)值，如作為運(yùn)輸、旅游、健身等用途。具有實(shí)用價(jià)值的研究才是有意義的。研究人力直升機(jī)可以激勵(lì)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(xiàn)

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[3]周翔.飛行事故的性能對(duì)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(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)研究.第十一屆全國激波與激波管學(xué)術(shù)會(huì)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(jī)用PMI泡沫夾層復(fù)合材料的設(shè)計(jì)[J].航空工程進(jìn)展， 2010（4）：374-378.