盤　石

1997年6月，在美國馬里蘭州貝塞斯達(dá)舉行的第五屆國際潛艇競賽上，加拿大魁北克省蒙特利爾高等技術(shù)學(xué)校一個研制小組制造的“奧默3”人力潛艇，創(chuàng)造了一項世界速度紀(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，100米航程內(nèi)速度為12.138公里/小時?！皧W默3”和“奧默2”人力潛艇，是該研制小組幾乎花了3年時間設(shè)計和制造出來的。這種人力潛艇采用了先進(jìn)復(fù)合材料船體和高級可變槳距螺旋槳。它的成功，為當(dāng)時人力潛水器界所傾倒。

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

瞄準(zhǔn)競賽獎

西科斯基人力直升機(jī)競賽的宗旨，與歷史上有名的克雷默人力飛機(jī)競賽獎相類似?？死啄勈?959年設(shè)立的，旨在推進(jìn)人力飛機(jī)的研制。這個獎項的設(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)競賽獎，由美國直升機(jī)學(xué)會于1980年設(shè)立。該學(xué)會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)2萬美元獎金。競賽規(guī)則規(guī)定，由一個人或多個人提供動力的重于空氣的直升機(jī)，“持久懸?！憋w行時間，須達(dá)到60秒鐘，離地的最小飛行高度必須短時達(dá)到3米，還必須始終保持在10米見方的區(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，也就是說，直升機(jī)上有一部分結(jié)構(gòu)在飛行中不應(yīng)該轉(zhuǎn)動。

自人力直升機(jī)競賽獎設(shè)立至今20年中，還沒有人獲得過這個獎項，這足以說明人力直升機(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)美國直升機(jī)學(xué)會人力直升機(jī)協(xié)調(diào)人羅伯特·索菲說，為參加此項競賽，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。第一架是“達(dá)芬奇Ⅲ”，它是在80年代末期由美國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)的一個小組制造的?！坝衫瘛庇?994年3月飛行，創(chuàng)造了飛行時間19.46秒的正式世界紀(jì)錄，離地高度只有0.2米。在后來的飛行中，它創(chuàng)造了飛行時間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)計和制造者，現(xiàn)已退休。他曾負(fù)責(zé)設(shè)計與制造了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)實際上沒有取得什么進(jìn)展，所以西科斯基人力直升機(jī)競賽獎仍然“高懸在空中”。

然而，有跡象表明，人們不久將向人力直升機(jī)競賽獎發(fā)起新的一輪沖擊。幾種人力直升機(jī)目前正在設(shè)計或處于剛開始制造階段。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)的一個小組研制?！疤柹瘛比肆χ鄙龣C(jī)自1998年1月以來，一直在精心設(shè)計和制造，是最近沖擊人力直升機(jī)競賽獎的主力和尖兵。

學(xué)生研制小組

“太陽神”人力直升機(jī)計劃于1998年初開始實施。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：組長西蒙·瓊卡斯，機(jī)械組組長亞歷克西斯·米肖，電氣組組長克里斯琴·貝留，計算機(jī)輔助設(shè)計與制造專家和有限元分析家丹尼爾·科特，電子設(shè)計專家瓊弗朗科斯·博蘭和復(fù)合材料專家塞奇·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、金屬加工和復(fù)合材料制造方面有經(jīng)驗的專業(yè)學(xué)生。

魁北克省高等技術(shù)學(xué)校對人力直升機(jī)計劃提供了大量支持，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)界對計劃給予支持，并取得了明顯的成效。這一方面是因為此項計劃很有意義，另一方面也因為該小組在“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)高級材料公司。迄今為止，此項計劃是該高等技術(shù)學(xué)校由學(xué)生經(jīng)營的最大計劃，獎金約達(dá)10萬美元。

總體設(shè)計的思考

“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)計思路，“太陽神”則是第三種思路。但它們也有共同的特點，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：對人力直升機(jī)的轉(zhuǎn)動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。“達(dá)芬奇Ⅲ”在首次飛行時，由于復(fù)雜驅(qū)動機(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，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副順時針方向旋轉(zhuǎn)，另2副反時針方向旋轉(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)重量僅38.56公斤?！坝衫瘛焙苋菀罪w起來，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)橫向漂移與場地圍墻相撞而結(jié)束。

“達(dá)芬奇Ⅲ”和“由利Ⅰ”由于驅(qū)動機(jī)構(gòu)太復(fù)雜，摩擦消耗功率較多，所以無法上升到脫離地面效應(yīng)的高度。對于這些已飛行了的和其它不成功的人力直升機(jī)設(shè)計，特別是由東內(nèi)藤在研制初期的雙旋翼設(shè)計，“太陽神”研制小組都進(jìn)行了仔細(xì)研究，并得出了兩個重要結(jié)論。第一，簡單的高效率的驅(qū)動機(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)的非氣動力結(jié)構(gòu)。據(jù)此，他們認(rèn)為，類似由東內(nèi)藤在研制初期的雙旋翼人力直升機(jī)設(shè)計最有希望成功。

最初設(shè)計的人力直升機(jī)，失敗原因幾乎都是由兩副旋翼的空氣動力相互干擾造成的，因為它們之間的間距太小?！疤柹瘛毖兄菩〗M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力相互干擾的問題了。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，所以這對人力直升機(jī)來說是非?？少F的。

人力直升機(jī)飛行需要解決的主要問題，是應(yīng)盡量減小飛行所需的動力。從人力飛行的早期開始，生理學(xué)家就指出，一個訓(xùn)練有素身強(qiáng)力壯的人，最大輸出功率不到2馬力?！疤柹瘛毖兄菩〗M的試飛員再次證實了這個事實。而且，人們只能在很短的時間內(nèi)保持這個體能水平。在1分鐘之內(nèi)，一個身強(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)競賽獎規(guī)定的飛行留空時間，這是一個很難達(dá)到的目標(biāo)。

當(dāng)然，也可以設(shè)計一種由多人組提供動力的人力直升機(jī)。“太陽神”研制小組也進(jìn)行過這方面的試驗，但出人意料的是，試驗表明，由多人組輸出的功率，比由每個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力的情況下，每個人不能使他們的動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帶來較多的結(jié)構(gòu)重量，加上多人組飛行員的身體重量，就會使直升機(jī)全機(jī)的重量增加，再加上15％功率輸出損失，這些因素就會使多人組人力直升機(jī)的優(yōu)點顯現(xiàn)不出來。

至于“太陽神”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：從空氣動力學(xué)觀點來看，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)械工程的觀點來看，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)合起來考慮，讓人力直升機(jī)的大小有一個最佳的折衷方案。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：對于雙旋翼人力直升機(jī)，旋翼直徑為30米左右時，升力重量比的數(shù)值最高。

“太陽神”人力直升機(jī)

“奧默”人力潛艇的成功技術(shù)，也被用到了“太陽神”人力直升機(jī)的方案設(shè)計中。其成功技術(shù)主要體現(xiàn)在螺旋槳和驅(qū)動機(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，即使用芬綸蜂窩芯和碳凱芙拉/樹脂材料的經(jīng)驗，以及這種材料的制作經(jīng)驗。而且，旋翼仍然采用了具有梁肋結(jié)構(gòu)的大展弦比長槳葉。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，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，外部需要用線繩拉掛才能保持必要的扭轉(zhuǎn)形狀?！疤柹瘛钡臉~又長又薄，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/樹脂預(yù)浸材料制造。

“太陽神”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)計的各個方面，全面完成了旋翼槳葉的氣動力設(shè)計。在設(shè)計過程中，小組成員西蒙·瓊卡斯和克里斯琴·貝留編寫了軟件，以預(yù)測槳葉在有地效和無地效條件下的性能。在計算機(jī)實驗室里，瓊卡斯和貝留花了幾個月的時間，用這個軟件對旋翼槳葉進(jìn)行了大量的選型試驗，共試驗了約300萬種槳葉形狀。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，槳葉長度為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·德雷拉博士專門為人力飛行器設(shè)計的。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)在計算機(jī)上的模擬計算，“太陽神”在離地3米高度上飛行時，所需的總功率約為0.8馬力。據(jù)此可以預(yù)料，“太陽神”人力直升機(jī)如果不能奪取西科斯基競賽獎，至少也能飛行。

研制小組用有限元分析軟件計算了槳葉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和極限強(qiáng)度，而且，對所有關(guān)鍵構(gòu)件都用這種軟件進(jìn)行過驗算，其目的是使每個構(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方向碳纖維預(yù)浸材料制做的，質(zhì)量為每平方米100克，樹脂含量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年整個春季，研制小組制造了4套18米長的玻璃纖維模具和其它工具。制做模具時，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，這就是陽模。然后，利用石膏陽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，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小時使作為粘接劑的環(huán)氧樹脂固化。第一片槳葉的制做比預(yù)期的困難，不過，在制做技術(shù)熟練以后，大約2個星期就能做出一片槳葉來。

槳葉制做中遇到的兩大問題是，所用的制造材料的熱膨脹特性不同和成形以后會變形。因為碳纖維、樹脂、泡沫塑料、聚酯薄膜和長度很長的模具，在固化過程中加熱到攝氏80度時的膨脹量都不一樣，例如，模具在攝氏80度時比在室溫時膨脹2.54厘米。成形后的大長度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)槳葉，由于有很大的內(nèi)應(yīng)力，所以會使其變形和變薄。這個問題在那些小尺寸試驗件上表現(xiàn)得并不明顯。“太陽神”研制小組就這個問題請教了西雅圖“渡鴉”人力飛機(jī)的研制人員，因為這種飛機(jī)使用的復(fù)合材料與“太陽神”的類似，從而比較好地得到了解決。

對“太陽神”計劃來說，1999年12月6日是一個重要的日子。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，但原來就沒有打算用于飛行。一個星期后，它在加載試驗中直到被破壞，之后它又被鋸開，檢查其結(jié)構(gòu)的完整性，結(jié)果是令人鼓舞的。這個研制小組準(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)體和傳動裝置設(shè)計，另有一個組則負(fù)責(zé)完成試驗槳葉用的全儀表旋翼試驗臺的設(shè)計。該旋翼試驗臺將在0.3至3米高度上試驗槳葉，并將搜集隨攻角變化的功率消耗、總升力和扭矩數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對于控制直升機(jī)高度、旋翼轉(zhuǎn)速和研制槳距控制系統(tǒng)，是十分重要的。

按計劃，2000年末，“太陽神”人力直升機(jī)將在蒙特利爾奧林匹克體育場，為奪取西科斯基人力直升機(jī)競賽獎而飛行。