人力飞行新方向——扑翼原理新解

人力扑翼

作者：魏朝阳 QQ2494954796 探索了几百年的人力飞行，到上世纪七十年代，应该说就已经实现了。八十年代已经能飞行116公里。之后已经有三十年没有显著进展，常规布局人力飞机仍然没有实用价值。而尝试最早、最多的人力扑翼飞行，则屡遭失败。 -- 人力飞行还有未来吗？这是受到普遍怀疑的问题。本文试图用倒推的思路，用排除法的逻辑，来寻找点儿新希望。要有所作为，就需要在充分的发散思维之后收敛一下，有些事只能以后再想，有些事只能这么做。 -- 1. 人力飞行的极限与潜力 -- 首先要有个宏观的双向逼近，即从不可行和可行两个方向来对人力飞行的发展前景有个宏观认识。 -- 一方面，从运动输出功率和体重之比来看，人比鸟类要差许多，这从根本上说明人力飞行永远达不到鸟类的飞行水平。人力飞行只可能是“勉强的飞行”。牢记这个底线，能避免许多胡思乱想。 -- 另一方面，从能量的利用效率来看，目前的人力飞行还没有达到鸟类飞行的效率。人力飞行的现状相对于鸟类飞行的巨大差距，只用功率和体重之比的差距作为理由还不充分，还有提高效率的发展空间，发展潜力。而人力飞行发展的主要方向，只能是追求极端效率。 -- 其实对实用所考虑的方便性、经济性等方面来说，携带能源已经不算多大问题。所以实用的、纯粹的人力飞行大概只会是体育运动。而研究人力飞行的另一个潜在的意义，就是探索提高能量使用效率的原理性途径。既然如此，一种原理的实施优化到一定程度之后，更重要的事情是探索新的原理性突破。 -- 那么我们就以追求极端效率为主要目标来做一些更具体的排除。 -- 2. 极端效率飞行要排除螺旋桨 -- 固定翼加螺旋桨的人力飞机，经过多年大量的优化设计已经逼近技术极限。 -- 螺旋桨几乎是低速飞行难以摆脱的空气作动方式。尽管旋转运动由于运动均匀性强而使高速运动时的效率很高，但是，从螺旋桨诞生于潜水艇以来，其低速效率就一直没有超过被其替代的早期轮船的轮桨。现在一些新型船坞船和执法船又使用了桨角可周期性调控的水平旋转的轮桨，尽管更主要的目的是提高低速机动性和原地转向能力，但低速时的效率优势也是存在的。而公园脚踏游船则一直使用轮桨，以低速的高效率来满足消闲运动的特殊需要。 -- 螺旋桨效率受限的主要原因，一是不同半径上的气动效率总是大不相同的。二是较快的线速度所产生的翼尖涡流阻力较大。三是使气流旋转的功是无用功。 -- 但是对于低速的极端效率飞行来说，似乎所有气动部位在任何方向上的线速度都不应该显著大于飞行速度，否则就会降低效率。于是极端效率飞行只能是类似扑翼的气动方式。人力飞行相对于机器动力螺旋桨飞机来说是低速飞行，需要向类扑翼方式回归。 -- 更明显的是，使用螺旋桨必然带来严重的重量问题。这不但严重降低总体效率，而且也使人力飞行难以有实用意义。实用的人力飞行器，即使飞得没那么远，也应该是比较便于携带和放置的。 -- 最近可变桨角的轮桨飞行也有新的发展动向，但由于结构复杂，在目前材料和机械等基础条件下尚难以用于人力飞行。 -- 人力扑翼飞行虽然败绩累累，但是下面可以看到失败的原因所在及其未被重视的潜力。 -- 3. 人力飞行应该从巡航开始 -- 无论是飞行器还是鸟类，起飞、低于巡航速度的慢速飞行、机动飞行、旋停等飞行状态，能量使用效率都不如巡航飞行状态。比巡航飞行效率更高的就只有滑翔了。所以，极端效率飞行只能在最佳滑翔速度附近实现。对于人力飞行，应该是25 Km/H到30Km/H左右。速度小于20Km/H以下时，人体功率就明显不够了，既难以维持平飞更不能加速。 -- 而以往的人力扑翼飞行，多是按“起飞——慢速飞行——巡航飞行”的步骤发展，这是由难到易的顺序。既然人力飞行只能是“勉强的飞行”，根本就无法维持水平慢飞，起飞和慢飞实现不了就都失败了，而更容易实现的巡航扑翼飞行却鲜有机会尝试。 -- 对实用来说，用其它不随之升空的能量助力起飞，或者借助斜坡、高台、迎风等起飞，并非难事。不必苛求起飞能力。 -- 由易到难的顺序决不应该是先慢后快，而应该从快开始。最基本、最可行的人力扑翼飞行，应该从快速滑翔状态渐进地发展出来。这和飞行生物的进化过程相似，先能从高处往下跳，然后能在下落过程中产生些滑翔能力，在滑翔比逐渐增大的过程中逐渐发展出扑翼飞行能力，最后才有平地起飞等其它能力。 -- 所以，先别想自主起飞和慢飞加速，先重点研究巡航状态的扑翼飞行。 -- 4. 鸟类巡航扑翼的几个具体特点 -- 现在已经实现的扑翼飞行器，虽然已经能非常像真鸟飞行，但是在娱乐界也没有流行，重要原因也还是效率不高。对鸟类扑翼飞行原理的研究虽然不是很完善。但是我们也可以用反证法来推想几个具体而关键的特点。 -- 鸟在原地起飞、机动和旋停时，翼的运动可以用往复式螺旋桨来解释，翼所获得的空气动力的合成方向基本垂直于扑翼的往复运动方向，大失速角也常有。个别情况下主要利用阻力，类似降落伞原理，例如原地起飞的第一次下扑和空中刹车。 -- 而在巡航状态，情况则是大不相同的。一定要注意和慢速飞行的情况区分开来。 -- 第一，鸟相对于空气的前进运动和扑翼相对于鸟身的垂直运动，合成为翼相对于空气的波浪形运动。由于扑翼垂直线速度低于前进速度，垂直扑动不到1米时就前进了数米，这个波浪形运动轨迹的最大斜率并不会很大。在这种情况下，翼相对于气流的实际迎角不可能较大，只能是很近似滑翔的状态，否则会产生很大阻力而降低效率，无论如何都得不偿失。 -- 翼相对于水平面的仰角必须随着波浪形运动轨迹线的起伏而改变，使相对于实际气流方向的迎角始终较小。不精确控制仰角变化的扑翼会增大阻力而无法维持飞行速度。可见，巡航扑翼已经不是“扑”而是“滑”。 -- 第二，翼在垂直方向上对鸟身的力，应该基本恒定于鸟身重力的反向力。否则，鸟身在垂直方向上过于明显的加速度，显然是对能量的很大浪费。极端效率飞行应该是尽量减小颠簸的。像地面奔跑那样的颠簸是难以坚持几十小时的长途飞行的。那些飞起来不像真鸟的扑翼飞行器，都有严重的颠簸，效率就不会高。 -- 进一步说，翼在下扑和上扑时都应使相对于实际气流方向的迎角为正值，以基本保持对鸟身的升力。下扑时，迎角是正值，产生向上的升力，而仰角是负值，使升力有向前的分量。上扑时，如果迎角为负，那么升力就变成了负值，变换扑动方向会使鸟身受到2g左右的反复冲击，这是难以想象的。既然上扑时迎角也是正值，而仰角是更大的正值，那么升力就只能向后上方了，就不是往复式螺旋桨的工作状态了。 -- 第三，翼对鸟身的力，是鸟身对翼的力的反作用力，所以反过来说，鸟身对翼的力也应该基本恒定在鸟身重力上。那么，鸟身力量的主要作用就是在上下活动着的支撑物（翼）上保持身体的高度，而不是用来直接驱动翼的上下扑动。翼的上下扑动只能主要靠改变迎角来实现。这类似于滑翔机或滑翔伞的波浪形滑翔。当然，鸟身对翼也不是一点驱动作用也没有，其反作用力使鸟身有微量的垂直加速度。 -- 那么改变仰角又是用什么力呢？一是肌肉的扭动力，而这种扭动力对鸟身有反扭力，为此，一是改变平尾俯仰角产生的气动力来平衡，二是允许胸部产生反扭动作，颈部和后身有配合动作，以质量惯性支撑扭力。显然，这两种情况都有相互抵消的力，会降低效率。 -- 其实还有一种情况，是用翼和鸟身在纵向上的微量移动，改变升心和重心的纵向相对位置，来改变翼的迎角。上扑到上部时翼偏后，即升心相对于重心后移，对翼产生下扭力。下扑到下部时翼偏前，即升心相对于重心前移，对翼产生上扭力。这似乎比肌肉扭动更为省力。当然对不同展向段，肌肉扭动还是需要的。 -- 还需要说明的是，鸟翼的弹性被动扭转，无法用来形成需要的迎角变化，但应该能起到一些自动调节作用和传感作用。 -- 下扑时升力向前上方，上扑时升力向后上方，似乎在纵向上抵销了？那么，这种极为近似波浪形滑翔的运动又是如何克服阻力以保持飞行速度的呢？ -- 5. 扑翼巡航飞行和波浪形滑翔的区别 -- 扑翼飞行和波浪形滑翔，共同点是保持较小的正迎角，提供持续且较稳定的升力。主要区别只是载荷的状态。下扑时，动能增加，而载荷高度不变或稍有增加，使整体的质心高度基本不变，不损失高度势能。上扑时，载荷不随翼上升或稍有下降，整体的质心高度仍然基本不变，不随着翼上升，减小翼的负载，从而减小动能损失。上扑的时间可以短于下扑，以减小阻力作用时间；也可以用更小的迎角完成上扑，以减小阻力。这样，下扑的前向分力所起的作用就不会被上扑时的后向分力完全抵销掉。扑翼巡航飞行的实质，是在翼作波浪形滑翔的同时保持质心高度。这可以称作类滑翔式扑翼，或者称作恒定质心的波浪形滑翔。 -- 为了使整体的质心近似载荷的质心，应该尽量把质量分配到翼以外的载荷中去。 -- 另外，仰角快速变向时，后弦也有类似扇子的作用？ -- 6. 极端效率飞行必须有很高的动作协调精确性 -- 回顾整理以上分析可以看出，要用升心和重心的纵向相对位移和翼根扭转来改变翼的迎角，又要以迎角的变化为主、载荷拉力的微量变化为辅来形成翼的上下扑动即波浪形滑翔，而由于迎角是相对于合成运动方向的，就还要随着波浪形轨迹来改变仰角。同时，还要用迎角保持基本恒定的升力，在上下扑翼时基本保持质心高度并减小质心的颠簸。这需要对非均匀性的动作过程有很高的协调精度，这种动作协调精度是超越滑翔而能扑翼巡航飞行的关键。 -- 下扑过程和上扑过程，不可能是完全对称的，至少迎角不是相同的，时间往往也不相同。不能用简谐振荡来模仿。 -- 所以，远不是扑动翅膀就能持续飞行的。加拿大的“雪鸟”人力扑翼机，由于没有迎角的调控，就没有产生前向拉力来补偿阻力，反而增大了阻力，并没有真正实现扑翼的基本原理。雏鸟初次飞行的失败或不成熟，主要不在于结构发育不到位或力量不足，不在于扑动频率不够快或扑动幅度不够大，而在于动作协调精度不够。雏鸟学飞行主要是练神经控制。而由于人的先天不足，对人力扑翼飞行来说，非对称、非均匀性的动作协调精度，不仅是飞得好坏的问题，更是能不能飞的问题。以往的人力扑翼飞行，没有在滑翔速度的基础上大量练习扑翼动作精度，过于单纯追求扑翼幅度和频率，就必然失败。可以预想，成功的人力扑翼飞行必须经过难度不亚于竞技型游泳的大量训练才有可能实现。如果能成为体育项目，也必然是极端力量型和极端技巧型兼而有之的。 -- 好在现在滑翔技术已经较为成熟。人力扑翼飞行可以在滑翔的基础上，由小到大地增加扑翼的量，连续渐进地过渡到扑翼飞行。 -- 另外，在大量试验的基础上，可以发展一套传感和提示系统。除了音响提示外，甚至可以采用多部位的贴肤震动提示方式。 -- 7. 扑翼式人力飞行必须简化扑翼结构 -- 本节暂时离开极端效率的角度，不得不考虑人体机能限制所倒逼出来的人力扑翼结构。 -- 鸟类的扑翼是在横垂面上的角度运动，不同翼展处的线速度有很大差别，所以扭动量也要随翼展而变化。这种大力量、高精度的多维度动作，人类是根本做不到的，需要减少动作维度。而如果靠精密复杂的机械联动系统，不但难以适应多变的状态，在现有材料和结构技术水平下也难免使重量大增。 -- 所以，人力扑翼飞行只能考虑相对简单的扑翼方式，减少控制维度。本人提出整动扑翼方式（已报专利），即，左右机翼之间不铰接而是固化为一个整体机翼，而人体（质心）和机翼之间的距离可以改变。这样就只有三个控制维度：一是俯仰、二是横滚、三是载荷质心和机翼之间的距离。 -- 这样的整动扑翼不需要展向的主动扭转，但是可以考虑利用弹性材料使其具有合适的被动扭转。 -- 整动扑翼相对于角动扑翼，翼展外部的扑翼幅度小了，但翼根部的扑翼作用大多了。 -- 显然，现有的悬挂式滑翔翼距此仅一步之遥！据说滑翔翼就是在人力扑翼飞行的尝试过程中衍生出来的，现在它成熟了，在它的基础上增加可变悬挂长度的结构，并在巡航滑翔速度的基础上训练扑翼动作，似能回归到人力扑翼飞行并使之复活。 -- 可变悬挂长度的结构，最轻最简的应该是吊索和滑轮系统。从人体工程学的角度看，用腿部力量来改变悬挂长度最为合适。可以用水平蹬、踡腿的动作，牵拉通过人体重心周围滑轮组的吊索的伸缩。其实在某些滑翔伞上已经有类似的结构。 -- 8. 极端效率飞行必须以较大的滑翔比为基础 -- 既然巡航扑翼飞行的实质是质心高度基本不变的波浪形滑翔，那么它的滑翔比越大，能量使用效率才能越高。 -- 所以，滑翔翼比滑翔伞更适合于人力扑翼。大展弦比的滑翔翼更适合于人力扑翼。 -- 还要考虑人体减阻，必要的话考虑整流罩。 -- 人力扑翼飞行估计需要12以上的滑翔比。 -- 9. 从人体运动频率考虑扑翼幅度 -- 运动频率如果过快，则人体运动部位本身的质量所消耗的能量就会过大。所以巡航状态的扑翼频率应该在1以下。 -- 水平飞行所需要的扑翼频率，和机翼俯冲下扑时的下降率成正比，和扑翼幅度成反比。为了扑翼频率不至于过高，扑翼幅度就要比较大。 -- 为了使扑翼幅度大于蹬、踡腿的幅度，可以采用多级滑轮组。 -- 扑翼幅度较大的时候，操纵杆需要有可滑动握套和一定的直线段，使双手在扑翼过程中仍然能控制俯仰和横滚。为了助力，滑动握套在被握紧时应可止滑。 -- 现在的滑翔翼，俯仰自稳定性很强，俯仰动作响应慢，会限制扑翼频率。需要减小俯仰自稳定性，而这又对飞行技术提出了更高的要求。 -- 10. 还需要深入研究动态稳定性 -- 除了机翼的俯仰自稳定性要兼顾扑翼频率和滑翔性能之外，人体的前后摆荡的动态特性也需要研究。过大的前后摆荡会降低效率，甚至产生危险。而相位和幅度适度的摆荡，能否因共振作用而提高效率？值得试验研究。 ------------------ 以上倒逼、反证出来的结论，框定了一个发展方向。大致为： ——总体结构是滑翔翼加变长悬挂。 ——设计上，一是选择或重新研制滑翔比大、质量较轻的滑翔翼（恐怕不宜过多考虑耐撞性），俯仰自稳定性适度。二是兼顾动态稳定性和可操纵性，设计好变长悬挂系统和操纵系统。 ——操作方法是：用手控制操纵杆改变俯仰角，进行不失速的波浪形滑翔。同时，以基本保持人体高度为目标，用蹬、踡腿动作改变吊索长度。 ——训练过程是：先熟练掌握现有滑翔技术。用现有方法辅助起飞。在达到最佳滑翔比速度之后，先小幅度扑翼，逐渐摸索动作协调的要领，起到助力滑翔的作用。随着感觉和动作的熟练逐步增大扑翼幅度。熟练扑翼飞行后，再尝试平地助跑起飞等其它动作的可能。 -- 从可行性角度看，这种滑翔式扑翼至少能起到人力助力滑翔的作用，只要能保证一定的安全性就不会一败涂地。那么是否能达到水平飞行的状态？能飞多远？ -- 和现有的固定翼加螺旋桨的人力飞行器相比，这种由悬挂式滑翔翼改进而来的整动扑翼人力飞行器，第一，显著降低了重量，这对增加飞行距离和飞行时间会有显著效果。一个机翼加一些绳索、滑轮、杆子，应该是接近结构简化的极限了。剩下的发展空间只是材料减重。第二，巡航扑翼飞行所需要的力主要是在上下变化的悬挂下基本保持自身的高度，这应该比人在地面上的下蹲和站起还省力，应该比固定翼人力飞行器有更好的效率。第三，气动方式的效率高，但是运动技巧要难得多，不可能几次就能成功，必须经过大量的实飞训练。这是高效率飞行必须付出的代价，也是人力飞行应有的魅力所在。 -- 从螺旋桨回归到扑翼，从滑翔回归到扑翼，实现人力飞行的新突破是有希望的！ -- 这种类滑翔式扑翼，作为一种飞行方式，在其它方面也会有些用处。例如，在平流层持久留空飞行的太阳能无人机，有人或无人的低噪声飞行器等。

[此贴子已经被作者于2017-1-5 1:42:44编辑过]

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