盤(pán)　石

1997年6月，在美國(guó)馬里蘭州貝塞斯達(dá)舉行的第五屆國(guó)際潛艇競(jìng)賽上，加拿大魁北克省蒙特利爾高等技術(shù)學(xué)校一個(gè)研制小組制造的“奧默3”人力潛艇，創(chuàng)造了一項(xiàng)世界速度紀(jì)錄，并奪得冠軍。這艘人力潛艇由弗朗科斯.梅索內(nèi)夫駕駛，10米航程內(nèi)速度為12.929公里/小時(shí)，100米航程內(nèi)速度為12.138公里/小時(shí)。“奧默3”和“奧默2”人力潛艇，是該研制小組幾乎花了3年時(shí)間設(shè)計(jì)和制造出來(lái)的。這種人力潛艇采用了先進(jìn)復(fù)合材料船體和高級(jí)可變槳距螺旋槳。它的成功，為當(dāng)時(shí)人力潛水器界所傾倒。

現(xiàn)在，該研制小組，正致力于設(shè)計(jì)和制造人力直升機(jī)，試圖贏得在20年前就設(shè)立的西科斯基人力直升機(jī)競(jìng)賽獎(jiǎng)。他們?cè)O(shè)計(jì)的人力直升機(jī)，目前正在蒙特利爾鬧市區(qū)一家廢棄的啤酒廠(chǎng)內(nèi)制造。這種人力直升機(jī)名為“太陽(yáng)神”（Helios），它取自希臘神話(huà)故事中的人物，他是從海洋深處升起而成為太陽(yáng)神的。這個(gè)名字的喻意是：研制小組將從人力潛艇競(jìng)賽冠軍變成人力直升機(jī)競(jìng)賽冠軍。

瞄準(zhǔn)競(jìng)賽獎(jiǎng)

西科斯基人力直升機(jī)競(jìng)賽的宗旨，與歷史上有名的克雷默人力飛機(jī)競(jìng)賽獎(jiǎng)相類(lèi)似。克雷默獎(jiǎng)是1959年設(shè)立的，旨在推進(jìn)人力飛機(jī)的研制。這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的設(shè)立，促成了“蟬翼禿鷹”和“蟬翼信天翁”人力飛機(jī)在70年代和80年代非常成功的飛行。西科斯基人力直升機(jī)競(jìng)賽獎(jiǎng)，由美國(guó)直升機(jī)學(xué)會(huì)于1980年設(shè)立。該學(xué)會(huì)將向首次能用人力持久飛行的可操縱人力懸停飛行器的成功者，頒發(fā)2萬(wàn)美元獎(jiǎng)金。競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，由一個(gè)人或多個(gè)人提供動(dòng)力的重于空氣的直升機(jī)，“持久懸停”飛行時(shí)間，須達(dá)到60秒鐘，離地的最小飛行高度必須短時(shí)達(dá)到3米，還必須始終保持在10米見(jiàn)方的區(qū)域內(nèi)飛行。另外，至少應(yīng)有一名機(jī)組人員在飛行中不隨直升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說(shuō)，直升機(jī)上有一部分結(jié)構(gòu)在飛行中不應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)。

自人力直升機(jī)競(jìng)賽獎(jiǎng)設(shè)立至今20年中，還沒(méi)有人獲得過(guò)這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，這足以說(shuō)明人力直升機(jī)在人的體力與工程技術(shù)兩方面所具有的挑戰(zhàn)性。據(jù)美國(guó)直升機(jī)學(xué)會(huì)人力直升機(jī)協(xié)調(diào)人羅伯特·索菲說(shuō)，為參加此項(xiàng)競(jìng)賽，世界上已制造出17架人力直升機(jī)，但其中只有2架飛行過(guò)。第一架是“達(dá)芬奇Ⅲ”，它是在80年代末期由美國(guó)圣路易斯奧比斯波的加利福尼亞波利技術(shù)大學(xué)制造的。在1989年12月的飛行中，它只離地懸停了7.1秒鐘。第二架是“由利Ⅰ”，它是在90年代初由日本大學(xué)由東內(nèi)藤教授指導(dǎo)的一個(gè)小組制造的。“由利Ⅰ”于1994年3月飛行，創(chuàng)造了飛行時(shí)間19.46秒的正式世界紀(jì)錄，離地高度只有0.2米。在后來(lái)的飛行中，它創(chuàng)造了飛行時(shí)間24秒，離地高度0.7米的非正式紀(jì)錄。

由東內(nèi)藤教授德高望重，是一位人力直升機(jī)設(shè)計(jì)和制造者，現(xiàn)已退休。他曾負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)與制造了5架人力直升機(jī)，第五架就是“由利Ⅰ”。他仍在為制造第六架人力直升機(jī)工作，名為“由利Ⅱ”。自“由利Ⅰ”人力直升機(jī)飛行兩次以后，人力直升機(jī)實(shí)際上沒(méi)有取得什么進(jìn)展，所以西科斯基人力直升機(jī)競(jìng)賽獎(jiǎng)仍然“高懸在空中”。

然而，有跡象表明，人們不久將向人力直升機(jī)競(jìng)賽獎(jiǎng)發(fā)起新的一輪沖擊。幾種人力直升機(jī)目前正在設(shè)計(jì)或處于剛開(kāi)始制造階段。這些人力直升機(jī)是：由東內(nèi)藤的“由利Ⅱ”；由康涅狄格州費(fèi)爾柴爾德公司的約翰·諾比爾制造的人力直升機(jī)；名為“鳳凰”的人力直升機(jī)，它正由安阿伯密歇根大學(xué)丹·帕特領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組研制?！疤?yáng)神”人力直升機(jī)自1998年1月以來(lái)，一直在精心設(shè)計(jì)和制造，是最近沖擊人力直升機(jī)競(jìng)賽獎(jiǎng)的主力和尖兵。

學(xué)生研制小組

“太陽(yáng)神”人力直升機(jī)計(jì)劃于1998年初開(kāi)始實(shí)施。研制小組由15名研究生和本科生組成，另有幾名畢業(yè)研究生參加工作。其核心成員有：組長(zhǎng)西蒙·瓊卡斯，機(jī)械組組長(zhǎng)亞歷克西斯·米肖，電氣組組長(zhǎng)克里斯琴·貝留，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)家和有限元分析家丹尼爾·科特，電子設(shè)計(jì)專(zhuān)家瓊弗朗科斯·博蘭和復(fù)合材料專(zhuān)家塞奇·魯斯特。他們都是研制“奧默”人力潛艇的老成員。與他們一起工作的，還有一些在機(jī)械與電子設(shè)計(jì)、金屬加工和復(fù)合材料制造方面有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)學(xué)生。

魁北克省高等技術(shù)學(xué)校對(duì)人力直升機(jī)計(jì)劃提供了大量支持，包括基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)費(fèi)和材料。除了高等技術(shù)學(xué)校提供的支持以外，學(xué)生們還努力尋找工業(yè)界對(duì)計(jì)劃給予支持，并取得了明顯的成效。這一方面是因?yàn)榇隧?xiàng)計(jì)劃很有意義，另一方面也因?yàn)樵撔〗M在“奧默”人力潛艇研制中的出色表現(xiàn)所產(chǎn)生的影響。工業(yè)界支持該計(jì)劃的有：貝爾直升機(jī)公司、龐巴迪公司、卡納達(dá)爾公司、普惠公司、3M公司、杜邦公司和航空技術(shù)高級(jí)材料公司。迄今為止，此項(xiàng)計(jì)劃是該高等技術(shù)學(xué)校由學(xué)生經(jīng)營(yíng)的最大計(jì)劃，獎(jiǎng)金約達(dá)10萬(wàn)美元。

總體設(shè)計(jì)的思考

“達(dá)芬奇Ⅲ”和“由利Ⅰ”代表了人力直升機(jī)的兩種不同的設(shè)計(jì)思路，“太陽(yáng)神”則是第三種思路。但它們也有共同的特點(diǎn)，即它們都是由單人駕駛、重量極輕和最大限度地利用了地面效應(yīng)。其主要區(qū)別是：對(duì)人力直升機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制采用了不同的解決方法。此外，在制造方法和材料使用上也有所不同。

波利技術(shù)大學(xué)的“達(dá)芬奇Ⅲ”人力直升機(jī)，旋翼直徑30米，有2片槳葉，由槳尖螺旋槳驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。旋翼槳葉采用梁與肋結(jié)構(gòu)，由碳纖維和泡沫塑料芯外包聚酯薄膜蒙皮制成。機(jī)體重量43.55公斤?！斑_(dá)芬奇Ⅲ”在首次飛行時(shí)，由于復(fù)雜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的摩擦作用，致使它在飛行離地后出現(xiàn)了殘余轉(zhuǎn)動(dòng)，造成一片槳葉損壞，飛行只持續(xù)了7秒鐘。

由東內(nèi)藤教授的“由利Ⅰ”采用了4副直徑為10米的雙槳葉旋翼，飛行中2副順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，另2副反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。支持旋翼和飛行員的機(jī)體結(jié)構(gòu)則由碳纖維和鋁合金管材制做。全機(jī)重量?jī)H38.56公斤?！坝衫瘛焙苋菀罪w起來(lái)，穩(wěn)定性極好，但操縱困難。該機(jī)離地后，由于4副旋翼旋轉(zhuǎn)綜合形成的氣流的影響，直升機(jī)會(huì)以不可改變的方式作橫向漂移。這次飛行不是因飛行員的疲勞而結(jié)束，而是因直升機(jī)橫向漂移與場(chǎng)地圍墻相撞而結(jié)束。

“達(dá)芬奇Ⅲ”和“由利Ⅰ”由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)太復(fù)雜，摩擦消耗功率較多，所以無(wú)法上升到脫離地面效應(yīng)的高度。對(duì)于這些已飛行了的和其它不成功的人力直升機(jī)設(shè)計(jì)，特別是由東內(nèi)藤在研制初期的雙旋翼設(shè)計(jì)，“太陽(yáng)神”研制小組都進(jìn)行了仔細(xì)研究，并得出了兩個(gè)重要結(jié)論。第一，簡(jiǎn)單的高效率的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是制造可飛行人力直升機(jī)的主要準(zhǔn)則；第二，應(yīng)最大限度地減少人力直升機(jī)的非氣動(dòng)力結(jié)構(gòu)。據(jù)此，他們認(rèn)為，類(lèi)似由東內(nèi)藤在研制初期的雙旋翼人力直升機(jī)設(shè)計(jì)最有希望成功。

最初設(shè)計(jì)的人力直升機(jī)，失敗原因幾乎都是由兩副旋翼的空氣動(dòng)力相互干擾造成的，因?yàn)樗鼈冎g的間距太小?！疤?yáng)神”研制小組認(rèn)為，如果把一副旋翼置于乘坐飛行員的機(jī)體之上，另一副置于機(jī)體之下，這樣兩副旋翼之間的垂直距離就足夠大，也就能夠解決旋翼氣動(dòng)力相互干擾的問(wèn)題了。不僅如此，這種布局還能使一副旋翼處于地面效應(yīng)之中。由于在飛行中旋翼處在地面效應(yīng)之中效率最高，所以這對(duì)人力直升機(jī)來(lái)說(shuō)是非?？少F的。

人力直升機(jī)飛行需要解決的主要問(wèn)題，是應(yīng)盡量減小飛行所需的動(dòng)力。從人力飛行的早期開(kāi)始，生理學(xué)家就指出，一個(gè)訓(xùn)練有素身強(qiáng)力壯的人，最大輸出功率不到2馬力。“太陽(yáng)神”研制小組的試飛員再次證實(shí)了這個(gè)事實(shí)。而且，人們只能在很短的時(shí)間內(nèi)保持這個(gè)體能水平。在1分鐘之內(nèi)，一個(gè)身強(qiáng)力壯的人平均只能發(fā)出約1馬力（約750瓦特）的功率。1分鐘是西科斯基人力直升機(jī)競(jìng)賽獎(jiǎng)規(guī)定的飛行留空時(shí)間，這是一個(gè)很難達(dá)到的目標(biāo)。

當(dāng)然，也可以設(shè)計(jì)一種由多人組提供動(dòng)力的人力直升機(jī)?！疤?yáng)神”研制小組也進(jìn)行過(guò)這方面的試驗(yàn)，但出人意料的是，試驗(yàn)表明，由多人組輸出的功率，比由每個(gè)人輸出的功率之和還要少15％左右。這是由于在多人組提供動(dòng)力的情況下，每個(gè)人不能使他們的動(dòng)作完全同步一致造成的。

雖然理論分析表明較大的旋翼能夠產(chǎn)生較大的升力，但由于較大旋翼必然會(huì)帶來(lái)較多的結(jié)構(gòu)重量，加上多人組飛行員的身體重量，就會(huì)使直升機(jī)全機(jī)的重量增加，再加上15％功率輸出損失，這些因素就會(huì)使多人組人力直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)顯現(xiàn)不出來(lái)。

至于“太陽(yáng)神”人力直升機(jī)的幾何尺寸大小，該研制小組經(jīng)研究分析認(rèn)為：從空氣動(dòng)力學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，理想的人力直升機(jī)雖然旋翼直徑越大越好，而且飛行中應(yīng)作慢速旋轉(zhuǎn)，但從機(jī)械工程的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，旋翼結(jié)構(gòu)越大，機(jī)體也越大，重量就越重，也越難制造。所以，應(yīng)將二者結(jié)合起來(lái)考慮，讓人力直升機(jī)的大小有一個(gè)最佳的折衷方案。當(dāng)然還必須考慮到人力在1分鐘內(nèi)只能發(fā)出1馬力功率的限制因素。他們的結(jié)論是：對(duì)于雙旋翼人力直升機(jī)，旋翼直徑為30米左右時(shí)，升力重量比的數(shù)值最高。

“太陽(yáng)神”人力直升機(jī)

“奧默”人力潛艇的成功技術(shù)，也被用到了“太陽(yáng)神”人力直升機(jī)的方案設(shè)計(jì)中。其成功技術(shù)主要體現(xiàn)在螺旋槳和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。螺旋槳葉片采用了經(jīng)典的沃特曼翼型，為尖削形扭轉(zhuǎn)槳葉。最重要的是，艇上裝有由微處理機(jī)控制的、與轉(zhuǎn)速相適應(yīng)的可變槳距系統(tǒng)。此外，“太陽(yáng)神”還借鑒了“奧默3”潛艇艇體使用高強(qiáng)度、重量輕的蒙皮材料的經(jīng)驗(yàn)，即使用芬綸蜂窩芯和碳凱芙拉/樹(shù)脂材料的經(jīng)驗(yàn)，以及這種材料的制作經(jīng)驗(yàn)。而且，旋翼仍然采用了具有梁肋結(jié)構(gòu)的大展弦比長(zhǎng)槳葉。梁肋結(jié)構(gòu)自“蟬翼禿鷹”和“蟬翼信天翁”人力飛機(jī)飛行以來(lái)，一直是人力飛行器的相關(guān)部件，如機(jī)翼、旋翼槳葉所采用的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅制造非常簡(jiǎn)單，損壞后好修理，而且制造后要修改也比較容易。

這種結(jié)構(gòu)的旋翼槳葉雖然抗彎強(qiáng)度高，但抗扭性能差，外部需要用線(xiàn)繩拉掛才能保持必要的扭轉(zhuǎn)形狀。“太陽(yáng)神”的槳葉又長(zhǎng)又薄，如何保持扭轉(zhuǎn)形狀十分關(guān)鍵，為此，研制小組為槳葉選擇了承力蒙皮。這樣，槳葉的彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷就由槳葉內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)件和蒙皮共同承受，可較好地保持所需的扭轉(zhuǎn)形狀。“太陽(yáng)神”直升機(jī)上下兩副旋翼的4片槳葉均由具有強(qiáng)度重量比高的碳纖維/樹(shù)脂預(yù)浸材料制造。

“太陽(yáng)神”人力直升機(jī)裝兩副反向旋轉(zhuǎn)的雙槳葉旋翼，旋翼直徑30米，一副在上，一副在下，之間為飛行員乘坐結(jié)構(gòu)。槳葉由低密度泡沫塑料和高強(qiáng)度碳纖維制成，容易保證所需要的翼型和平面形狀。操縱系統(tǒng)與常規(guī)直升機(jī)的可變槳距旋翼操縱系統(tǒng)相似。整機(jī)目標(biāo)重量為54.43公斤。

1998年下半年和1999年初，研制小組論證了機(jī)械設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，全面完成了旋翼槳葉的氣動(dòng)力設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，小組成員西蒙·瓊卡斯和克里斯琴·貝留編寫(xiě)了軟件，以預(yù)測(cè)槳葉在有地效和無(wú)地效條件下的性能。在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室里，瓊卡斯和貝留花了幾個(gè)月的時(shí)間，用這個(gè)軟件對(duì)旋翼槳葉進(jìn)行了大量的選型試驗(yàn)，共試驗(yàn)了約300萬(wàn)種槳葉形狀。他們得出的結(jié)論是，旋翼槳葉采用“代達(dá)羅斯”31翼型、在轉(zhuǎn)速為每分鐘7轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉長(zhǎng)度為17.5米是最佳的。

“代達(dá)羅斯”翼型系列，是由麻省理工學(xué)院的馬克·德雷拉博士專(zhuān)門(mén)為人力飛行器設(shè)計(jì)的。這些翼型曾用在保持世界紀(jì)錄的“代達(dá)羅斯”人力飛機(jī)和“由利Ⅰ”人力直升機(jī)上。

“太陽(yáng)神”人力直升機(jī)槳葉有大的尖削比（0.1）和扭轉(zhuǎn)角（10度），每片槳葉重約10公斤，但上下旋翼槳葉稍有不同。

根據(jù)在計(jì)算機(jī)上的模擬計(jì)算，“太陽(yáng)神”在離地3米高度上飛行時(shí)，所需的總功率約為0.8馬力。據(jù)此可以預(yù)料，“太陽(yáng)神”人力直升機(jī)如果不能奪取西科斯基競(jìng)賽獎(jiǎng)，至少也能飛行。

研制小組用有限元分析軟件計(jì)算了槳葉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和極限強(qiáng)度，而且，對(duì)所有關(guān)鍵構(gòu)件都用這種軟件進(jìn)行過(guò)驗(yàn)算，其目的是使每個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度只是剛剛達(dá)到要求，以盡可能地減輕機(jī)體的結(jié)構(gòu)重量。

槳葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)由低密度的道·克拉梅XL泡沫塑料翼型段組成。翼型段利用熱線(xiàn)切割工具和一套福密卡膠木模板加工而成，它是用手工把實(shí)心泡沫塑料塊切割而成的，幾乎是具有復(fù)雜形狀的空心結(jié)構(gòu)。每片槳葉有22塊泡沫塑料翼型段，它們是在玻璃纖維模具中與蒙皮材料進(jìn)行組裝的。

槳葉的蒙皮是用聚酯薄膜和無(wú)方向碳纖維預(yù)浸材料制做的，質(zhì)量為每平方米100克，樹(shù)脂含量33％。這種材料的強(qiáng)度每平方厘米足以承受44996公斤的拉力。

槳葉中心結(jié)構(gòu)件是橫切面大致為矩形的碳纖維管梁。旋翼軸是直徑為10厘米稍帶尖削形狀的碳纖維管，它有連接槳葉和機(jī)體的作用。槳距由一套軸承、齒輪和小電機(jī)操縱。

在用碳纖維預(yù)浸材料制造槳葉之前，首先必須制成一套成型模具。1999年整個(gè)春季，研制小組制造了4套18米長(zhǎng)的玻璃纖維模具和其它工具。制做模具時(shí)，先用石膏坯成形，再利用鋁模板將石膏坯打磨成要求的形狀，這就是陽(yáng)模。然后，利用石膏陽(yáng)模再做成用于成形碳纖維和泡沫塑料槳葉的玻璃纖維模具。

在制做槳葉時(shí)，先須將預(yù)浸材料切割成所要求的形狀，并把它鋪設(shè)在玻璃纖維模具中，然后加熱到攝氏80度，并保持4至5小時(shí)使作為粘接劑的環(huán)氧樹(shù)脂固化。第一片槳葉的制做比預(yù)期的困難，不過(guò)，在制做技術(shù)熟練以后，大約2個(gè)星期就能做出一片槳葉來(lái)。

槳葉制做中遇到的兩大問(wèn)題是，所用的制造材料的熱膨脹特性不同和成形以后會(huì)變形。因?yàn)樘祭w維、樹(shù)脂、泡沫塑料、聚酯薄膜和長(zhǎng)度很長(zhǎng)的模具，在固化過(guò)程中加熱到攝氏80度時(shí)的膨脹量都不一樣，例如，模具在攝氏80度時(shí)比在室溫時(shí)膨脹2.54厘米。成形后的大長(zhǎng)度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)槳葉，由于有很大的內(nèi)應(yīng)力，所以會(huì)使其變形和變薄。這個(gè)問(wèn)題在那些小尺寸試驗(yàn)件上表現(xiàn)得并不明顯。“太陽(yáng)神”研制小組就這個(gè)問(wèn)題請(qǐng)教了西雅圖“渡鴉”人力飛機(jī)的研制人員，因?yàn)檫@種飛機(jī)使用的復(fù)合材料與“太陽(yáng)神”的類(lèi)似，從而比較好地得到了解決。

對(duì)“太陽(yáng)神”計(jì)劃來(lái)說(shuō)，1999年12月6日是一個(gè)重要的日子。這天，研制小組和高等技術(shù)學(xué)校約有40人，目睹了打開(kāi)槳葉模具取出第一片完整的全固化槳葉的情景。

雖然這第一片槳葉有些缺陷，但原來(lái)就沒(méi)有打算用于飛行。一個(gè)星期后，它在加載試驗(yàn)中直到被破壞，之后它又被鋸開(kāi)，檢查其結(jié)構(gòu)的完整性，結(jié)果是令人鼓舞的。這個(gè)研制小組準(zhǔn)備再制造7片槳葉，并將其中最好的4片用于飛行。

研制小組中的機(jī)械組將完成機(jī)體和傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，另有一個(gè)組則負(fù)責(zé)完成試驗(yàn)槳葉用的全儀表旋翼試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)。該旋翼試驗(yàn)臺(tái)將在0.3至3米高度上試驗(yàn)槳葉，并將搜集隨攻角變化的功率消耗、總升力和扭矩?cái)?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對(duì)于控制直升機(jī)高度、旋翼轉(zhuǎn)速和研制槳距控制系統(tǒng)，是十分重要的。

按計(jì)劃，2000年末，“太陽(yáng)神”人力直升機(jī)將在蒙特利爾奧林匹克體育場(chǎng)，為奪取西科斯基人力直升機(jī)競(jìng)賽獎(jiǎng)而飛行。