體能ＯＲ智慧的挑戰(zhàn)？

劉　林

1980年，美國直升機(jī)協(xié)會(huì)(AHS)創(chuàng)立了一項(xiàng)名為伊格爾-西科斯基的人力直升機(jī)競(jìng)賽，獲勝者或者獲勝的團(tuán)隊(duì)將獲得2萬美元的獎(jiǎng)金。將近30年過去了，至今無人可以領(lǐng)走這份獎(jiǎng)金。在今年的美國直升機(jī)協(xié)會(huì)年會(huì)上，西科斯基飛機(jī)公司的總裁宣布將這項(xiàng)獎(jiǎng)金提高到25萬美元。

同樣以人力為動(dòng)力，人力固定翼飛機(jī)的進(jìn)度就要快得多了。1977年，美國的麥克克萊迪博士設(shè)計(jì)的“薄翼禿鷹”人力固定翼飛機(jī)飛行成功。隨后，他設(shè)計(jì)的“薄翼信天翁”號(hào)人力固定翼飛機(jī)更是在1979年飛躍了英吉利海峽。那么為什么人力直升機(jī)在人力固定翼飛機(jī)成功飛行之后30多年還不能飛起來?直升機(jī)的出現(xiàn)落后了固定翼飛機(jī)30多年，現(xiàn)在看來，人力直升機(jī)將落后人力固定翼飛機(jī)的時(shí)間可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過30年了。

落后原因何在?

人力直升機(jī)遲遲不能獲得成功的原因是什么呢?到目前為止，人們?cè)谌肆χ鄙龣C(jī)的探索上取得了哪些成就?人力直升機(jī)到底有沒有實(shí)現(xiàn)的可能呢?如果有，技術(shù)難點(diǎn)在哪里?如果沒有，又是什么原因剝奪了這種實(shí)現(xiàn)的可能性?

在探討這些問題之前，讓我們先來看一下美國直升機(jī)協(xié)會(huì)人力直升機(jī)競(jìng)賽對(duì)于參賽直升機(jī)的主要要求。第一，飛機(jī)必須是比空氣重的飛行器，禁止使用氣球拉動(dòng)飛行器(比如氦氣球)；第二，飛行器應(yīng)為旋翼構(gòu)型，可以在靜止的空氣中垂直起飛和降落，機(jī)組中至少有一名成員不應(yīng)處于旋轉(zhuǎn)之中；第三，飛行器在整個(gè)飛行過程之中，包括將旋翼加速到起飛速度的過程中，將由機(jī)組成員提供動(dòng)力和操縱；第四，禁止在起飛和飛行中使用任何儲(chǔ)能設(shè)備。提供升力和控制的旋轉(zhuǎn)空氣動(dòng)力構(gòu)件(比如旋翼槳葉)不在儲(chǔ)能構(gòu)件之列；第五，在旋翼加速和起飛的過程中，飛行器的任何部位不能得到彈射。

然后我們?cè)賮砜匆幌逻@項(xiàng)競(jìng)賽對(duì)于飛行的主要要求。第一個(gè)要求是飛行器可以懸停1分鐘；第二個(gè)要求是在懸停過程中，飛行器的位移不能超過10米；第三個(gè)要求是飛行器最低的部位在瞬間與地面的距離要超過3米。

固定翼飛機(jī)比直升機(jī)更早獲得成功的一個(gè)主要因素是固定翼飛機(jī)可以充分利用在前進(jìn)過程中流過飛機(jī)的大量空氣從而產(chǎn)生升力。不要小看這個(gè)充分利用的問題，機(jī)翼產(chǎn)生的升力使固定翼飛機(jī)保持在空中所需要的功率比直升機(jī)小得多。對(duì)于飛行器來說，較小的功率要求一般意味著較大的成功可能。固定翼飛機(jī)在空氣中滑動(dòng)，飛機(jī)的升力靠大量流過機(jī)翼的空氣產(chǎn)生，有點(diǎn)四兩撥千斤的感覺。而直升機(jī)在垂直起飛時(shí)槳葉做圓周運(yùn)動(dòng)，在垂直起飛或者懸停時(shí)，直升機(jī)的升力是靠將靜止的空氣向下使勁的吹動(dòng)產(chǎn)生的，有點(diǎn)兒生拉硬拽的感覺。打個(gè)比方說，跳高運(yùn)動(dòng)員一般在跳躍橫桿之前要經(jīng)過一段助跑，這就好比固定翼飛機(jī)，起飛前要滑跑。對(duì)于直升機(jī)來說，就好比這個(gè)跳高運(yùn)動(dòng)員被剝奪了助跑的權(quán)力，要他早地拔蔥。如果武俠作品中的描寫不算的話，這個(gè)運(yùn)動(dòng)員旱地拔蔥的高度一般是比不上他助跑后所能跳過的高度的。

旱地拔蔥只是描述表面現(xiàn)象，更專業(yè)一點(diǎn)兒的探討這個(gè)問題就要涉及到機(jī)翼的阻力這個(gè)概念。我們前面談到了功率，可以說，一談到功率，就要和阻力聯(lián)系起來。因?yàn)閺母旧险f，功率最后就是消耗在克服阻力上了。而機(jī)翼的阻力包括誘導(dǎo)阻力和形阻，形阻又可以進(jìn)一步區(qū)分為壓差阻力、摩擦阻力和渦流阻力。誘導(dǎo)阻力的產(chǎn)生是和機(jī)翼的升力相關(guān)聯(lián)的，是升力的副產(chǎn)品，所以被稱為誘導(dǎo)阻力。在低速時(shí)，誘導(dǎo)阻力大于形阻力，并且誘導(dǎo)阻力隨著飛行速度的增加而減小，實(shí)際上誘導(dǎo)阻力和飛行速度的二次方成反比例。形阻力和誘導(dǎo)阻力正好相反，隨著飛行速度的增加而增加，確切的說和飛行速度的二次方成正比例。在高速的條件下，形阻力大于誘導(dǎo)阻力。誘導(dǎo)阻力和形阻力相加就是總阻力。誘導(dǎo)阻力和形阻力各自隨飛行速度變化的特性決定了總阻力先是隨飛行速度增加而減小。在某個(gè)特定的速度下達(dá)到最小阻力之后，又隨著飛行速度的增加而快速增加。

在直升機(jī)垂直起飛的過程中，飛行速度為零。如果將直升機(jī)旋翼掃過的面積看作一個(gè)圓盤，此時(shí)由于飛行速度為零，誘導(dǎo)阻力非常大。而固定翼飛機(jī)在低速或者中速的飛行條件下，可以在很大程度上將阻力降低。這就是前面提到的充分利用了流過機(jī)翼的空氣流，極大的降低了阻力。阻力的降低意味著對(duì)功率要求的降低，也就是以速度換效率。這就是直升機(jī)或者人力直升機(jī)比固定翼飛機(jī)或者人力固定翼飛機(jī)出現(xiàn)晚的物理原因。

已有的探索

現(xiàn)在我們簡單的回顧一下人力直升機(jī)的發(fā)展。在1980年人力直升機(jī)競(jìng)賽設(shè)立之后，有記載的嘗試超過了20個(gè)，但其中只有兩個(gè)飛行器離開了地面。盡管如此，它們的飛行表現(xiàn)離競(jìng)賽的要求還是相差甚遠(yuǎn)。第一架成功離開地面的人力直升機(jī)是加州理工大學(xué)的一些師生們?cè)O(shè)計(jì)制造的“達(dá)芬奇”Ⅲ號(hào)(Leonardo Da Vinci Ⅲ)。從1981年開始，在比爾·帕特森教授指導(dǎo)下，加州理工大學(xué)的學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了一系列人力直升機(jī)。“達(dá)芬奇”Ⅲ是這個(gè)系列飛機(jī)的最后型號(hào)，在1989年進(jìn)行了飛行嘗試。它的旋翼直徑達(dá)到了30米，有兩片槳葉，槳葉由位于槳尖的螺旋槳推動(dòng)。駕駛員踩腳蹬將動(dòng)力傳到一個(gè)絞車上，絞車通過繞在螺旋槳軸上的張線帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)?！斑_(dá)芬奇”Ⅲ號(hào)最后取得了離地20厘米，滯空8秒鐘的成績。作為第一個(gè)離地的人力直升機(jī)，這個(gè)成績足以令帕特森教授和他的學(xué)生們自豪。

1994年，在內(nèi)藤昭教授的領(lǐng)導(dǎo)下，日本大學(xué)的“百合花”1號(hào)(Yuri I)成為第二架成功飛起來的人力直升機(jī)。這架飛行器有四個(gè)旋翼，每個(gè)旋翼帶有兩片槳葉，旋翼的直徑達(dá)到10米?！鞍俸匣ā?號(hào)的動(dòng)力也是通過腳蹬提供。

“百合花”1號(hào)取得了離地51厘米，滯空時(shí)間20秒的成績。和“達(dá)芬奇”Ⅲ號(hào)相比，進(jìn)步是明顯的。但即便如此，“百合花”1號(hào)的成績和人力直升機(jī)競(jìng)賽離地3米，滯空1分鐘的要求還是有非常大的差距。

到了上世紀(jì)90年代末期，只剩下兩個(gè)人力直升機(jī)項(xiàng)目還在繼續(xù)，一個(gè)在密歇根大學(xué)，另外一個(gè)在大不列顛哥倫比亞大學(xué)。這些學(xué)校都是靠自己的資金和資源在搞這個(gè)項(xiàng)目，工業(yè)界和政府沒有提供任何資金。各個(gè)項(xiàng)目之間的資源信息共享和合作還非常欠缺。

進(jìn)入21世紀(jì)之后，由于多方面原因，人們對(duì)于人力直升機(jī)的熱情似乎漸漸的消失了。大概這也是西科斯基公司突然將獎(jiǎng)金提高到25萬美元的原因吧。

如何才能成功?

我們現(xiàn)在知道人力固定翼飛機(jī)早已經(jīng)飛行成功了，人力直升機(jī)卻還任重道遠(yuǎn)。而兩者的差別就在于人力直升機(jī)需要更強(qiáng)的動(dòng)力，也就是人所提供的動(dòng)力。對(duì)于一個(gè)體力很好的運(yùn)動(dòng)員來說，可以在1分鐘的時(shí)間里維持大約0.67馬力到0.8馬力的功率水平(1馬力＝735瓦)。如果他使出吃奶的勁，可以在10秒鐘之內(nèi)維持大約

1.34馬力的功率。根據(jù)這個(gè)功率水平，我們可以計(jì)算出來這個(gè)運(yùn)動(dòng)員在精疲力盡之前可以在1分鐘里釋放出36千焦的能量。同時(shí)不要忘了，這個(gè)運(yùn)動(dòng)員的體重要盡可能的輕。現(xiàn)在假設(shè)這個(gè)運(yùn)動(dòng)員可以持續(xù)的輸出0.8馬力的功率，同時(shí)假設(shè)運(yùn)動(dòng)員和飛行器的總重是90千克?！鞍俸匣ā?號(hào)光飛行器的重量是38千克，“達(dá)芬奇”Ⅲ號(hào)飛行器的重量是44千克。如果運(yùn)動(dòng)員的重量以60千克算的話，90千克的總重意味著飛行器的重量只有30千克，這個(gè)假設(shè)應(yīng)該說已經(jīng)比較小了。

另外我們假設(shè)旋翼的效率指數(shù)是0.75。旋翼的效率指數(shù)是衡量旋翼效率的一個(gè)參數(shù)，指數(shù)越大說明旋翼的形阻力所帶來的能量損失越小(壓差阻力是最主要的形阻力，另外還包括摩擦阻力和渦流阻力)，效率越高。理想的旋翼效率指數(shù)是1，這時(shí)沒有任何形阻力帶來的能量損失，全部的能量都用來克服誘導(dǎo)阻力了，但這種旋翼只存在于書本中。0.75的旋翼效率指數(shù)說明75％的能量用來克服誘導(dǎo)阻力，只有25％的能量用來克服形阻，這應(yīng)該說是比較理想的旋翼了。

我們?cè)偌僭O(shè)飛行是在海平面的高度進(jìn)行，因?yàn)檫@個(gè)高度的空氣密度最大，對(duì)于飛行最有利。

現(xiàn)在我們綜合一下這幾個(gè)比較理想的參數(shù)：90千克的總重量，0.75的旋翼效率指數(shù)，還有駕駛員可以恒定的輸出0.8馬力的功率。在這幾個(gè)條件下，通過基本的直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算出飛行器垂直起飛所需要的旋翼直徑尺寸——47米!現(xiàn)在我們可以更深入的看到人力直升機(jī)成功飛行的困難所在了。這就是要將帶有直徑達(dá)到47米旋翼的飛行器的重量控制在30千克以下，或者說將30千克的飛行器的旋翼直徑保持在47米以上。要使得這么大而又這么輕的飛行器的結(jié)構(gòu)達(dá)到足夠的強(qiáng)度和剛度可不是一件輕而易舉的事。其中一個(gè)辦法是化整為零，就是采用多個(gè)旋翼——就像“百合花”1號(hào)的構(gòu)型那樣。由于升力被分配到四個(gè)旋翼上，每個(gè)旋翼的尺寸就可以降低了。

僅僅讓飛行器飛起來就已經(jīng)很困難了，但是要想贏得人力直升機(jī)競(jìng)賽25萬美元的西科斯基獎(jiǎng)金，還要能夠在空中懸停達(dá)1分鐘之久，并且能夠在這1分鐘里的某個(gè)瞬間，達(dá)到離地3米的高度。滿足這兩個(gè)條件對(duì)駕駛員的能量要求也基本上接近了人類能量極限，也就是我們前面提到的36千焦?？梢哉f人力直升機(jī)成功的瓶頸在于非常有限的可用功率和可用能量，也就是人的體能(競(jìng)賽要求中還特別提到了禁止駕駛員和機(jī)組成員使用興奮劑)。解決的出路在于減小飛行器的重量。在重量上做文章的空間雖然已經(jīng)不大了，但好像這也是唯一還有空間改造的地方。這就要依賴于在材料和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的突破性技術(shù)進(jìn)展。至少在目前的材料水平上，人類直升機(jī)成功還不存在可能性。但是在航空技術(shù)史上，有很多曾經(jīng)被認(rèn)為是不可能的甚至如天方夜譚般的設(shè)想最后都被人類實(shí)現(xiàn)了。人力直升機(jī)也許也是這許多不可能之中的一個(gè)吧。

尾聲

最后透露一個(gè)秘密。文章的開始我們提到2萬美元獎(jiǎng)金在當(dāng)時(shí)其實(shí)是一個(gè)空頭支票。最開始這筆獎(jiǎng)金是存在一個(gè)銀行存款帳戶的區(qū)區(qū)500美元。獎(jiǎng)金設(shè)立者預(yù)計(jì)在有人能夠造出滿足競(jìng)賽要求的直升機(jī)之前，這500美元將會(huì)通過每年的利息增長到2萬美元。挺佩服獎(jiǎng)金設(shè)立者的工程預(yù)見水平的。

責(zé)任編輯：新浜