为什么中国古代只造出了人力轮船而没有造出人力飞机？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-05-25 18:22 标签： 古代造飞机的是谁
“感谢亨利·克雷默先生的慷慨和运动精神，他和皇家航空学会的人力飞行小组为这个世界带来了一些全新的东西，实现了一个古老的梦想。”

“游丝神鹰号（Gossamer Condor）”人力飞机，由Paul MacCready（麦克格雷迪）及其朋友、家人设计制造，是第一架完成克雷默奖8字飞行的由肌肉驱动的飞机。1977年8月23日，在加州沙夫特，布莱恩·艾伦驾驶“游丝神鹰”在7分半内飞遍了克雷默球场。1979年6月12日，艾伦驾驶“游丝信天翁（Gossamer Albatross）”成功飞越英吉利海峡，用时2小时49分钟，远超其他人力飞机，再次赢得克雷默奖。

鸭式推进布局，结构也有利于快速维修和更改。“游丝神鹰”现在被展览在美国国家航空航天博物馆
“游丝信天翁”飞越海峡
“游丝信天翁2号机”在NASA德莱顿研究中心测试
“游丝企鹅”，为75%大小、电动版的“信天翁”

克雷默奖是一个人力飞行比赛，其宗旨是“飞行性能就是一切”。与其他比赛不同，其规则不会含有为研究新的飞机项目而提出的商业或军事上的要求，完成由人力驱动的8字飞行即可获奖。

克雷默奖规定的8字航线

因为克雷默奖允许参赛飞机在2米甚至更低的高度飞行，所以安全并不是参赛飞机考虑的主要因素，各参赛队伍也敢于为了飞机性能放弃部分安全性。

“游丝神鹰”的中心思想就是比别人飞得更慢，所以使用了可以减轻很多重量的张线结构。显然这架飞机除了比赛完全是不合实际的：一是需要巨大的机库，二是中等风就能摧毁这架飞机。

黎明时分，在空寂无人的机场上，总有巨大而寂静的飞机在缓慢而梦幻般的飞行

“游丝信天翁”的设计始于1977年10月，1978年7月在沙夫特进行了首次飞行。穿越海峡显然是更具挑战性的项目：

  • 飞行员安全及水上救援成为最重要的考虑因素。
  • 飞机必须是可运输的，这样才可以带到英国。
  • 导航和通讯系统必须完善，这样飞机才能尽可能走英国到法国的最短路线，同时避开繁忙的轮船交通。

这些需要考虑的因素远超过研发团队的能力范围，所以他们寻求赞助，并获得了很多技术、资金、后勤及媒体支持。

1.确定人力飞机可用功率

人具有强大的冲刺能力，也能长时间保持较低功率输出。普通人能在几秒钟内输出几马力的功率，而强壮的运动员可以输出2倍于普通人的功率，有经验的徒步旅行者可以长时间持续输出0.1马力。人的输出功率如图

虽然克雷默奖允许多个飞行员，且确实有参赛队伍制造了双座飞机，麦克格雷迪还是为“神鹰”选择了单座设计。有些地面人力交通工具让驾驶员的手臂和躯干也参与提供能量，但麦克格雷迪认为飞行员的手应该用于操纵控制，额外的机构会弄巧成拙。因此他们确定“神鹰”只使用单人骑自行车的功率：在起飞和爬升阶段，功率可能会超过0.5马力，巡航则为0.4马力或更低。

麦克格雷迪发现改变策略可能更有利于获奖：如果降低飞行速度，则完成预定航线飞行需要更长时间，这需要飞行员保持更长时间的运动，但同时也降低了飞机需用功率，使得飞行员的输出功率可以减小。短时大功率输出与长时低功率输出应该如何选择，或许可以在人的输出功率曲线上找到一个折中的最优解。

维持飞机稳定水平飞行的需用功率为：

其中，W为全机重量，V为空速，A为等效平板阻力面积，b为翼展，K为地面效应因子，e为有效翼展因子。

上式的一些参数并没有明确的通用定义，但其原理就是把阻力分为诱导阻力与零升阻力，需用功率也分为克服诱导阻力的功率与克服零升阻力的功率。这一公式有很多等价表达式，麦克格雷迪选择这样描述是因为可以比较清楚的展现设计思路：第一项表示了轻重量和大翼展的重要性，第二项表明速度过快也会大幅增大需用功率，毕竟是与速度成三次方关系。

第一版（莫哈韦版）“神鹰”如上图。设计速度3.6m/s，翼展29m（因为机库只有那么大，此翼展与波音737-400相当），弦长恒定为3.6m。麦克格雷迪首先利用悬挂滑翔机的原理建造了26.8m翼展的模型：5cm的管状翼梁位于前缘，机翼只是由几个肋和后缘金属丝组成的聚酯薄膜“帆”。翼梁的弯矩由连接到中央桅杆和主柱上的金属丝张线减轻，机翼后缘由连接到机头斜桅的金属丝保持紧绷，这也为安装鸭翼提供了位置。翼型为Peter Lissaman设计的单表面高升力翼型。其优点有：

  • 飞行速度小，地面人员快步走就可以辅助飞机起飞和着陆。
  • 失速后果并不严重，高升力系数下，阻力上升会让飞机在失速前就着陆。
  • 因为速度低，虽然起落架很可笑（来自于一个玩具消防车的两个小小的空心塑料轮），但避免了之前其他参赛者的问题：起飞时由自行车轮驱动，空中仍然带着这部分死重，硬着陆或降落漂移时轮子被破坏。
  • 单面翼型对迎角很敏感。所以下一架飞机应改用双面翼型。
  • 单面翼型构成的机翼刚性不足。

为此，Peter Lissaman设计了新的双面翼型。设计标准如下:

  • 在设计迎角范围内保持低阻力
  • 俯仰力矩较低或中等，并且在设计迎角范围内变化不大
  • 在低雷诺数下也能保持高升阻比
  • 底部凹陷适中，接近平坦，有利于加工并使蒙皮更容易贴近翼肋表面、更接近于理想轮廓
Lissaman 7769翼型，两架获得克雷默奖的飞机都使用了这个翼型

Lissaman 7769翼型实际使用效果很好，之后的机翼、鸭翼及螺旋桨都使用了这个翼型。新飞机的桅杆也移动到四分之一弦长处，翼展增加到29.3米（沙夫特的机库比莫哈韦的大得多），适度前后移动了各位置弦长以将重心放在设计位置。

克雷默奖赛道需要完成两个180度以上的转弯，一个向左，一个向右。1977年初，还没有人力飞机能实现90度转弯。当年晚些时候，日本的“鹳式”才展现了180度大转弯。

由于希望最大限度利用地面效应及金属丝支撑结构布置的需要，翼尖离地面很近，大滚转角转弯很容易使翼尖蹭地，可用滚转角只有几度。麦克格雷迪不得不减少翼尖弦长，用梯形平面形状减小滚转阻尼。虽然修改后的莫哈韦版“神鹰”从未成功地进行过180度转弯，但他的可控性的确变好了。在三轴的控制上，无法证明任何轴是稳定的，但这并不重要，因为一切都很慢，但至少俯仰控制是令人满意的。鸭翼安装结构的设计也使鸭翼安装杆无需承受任何扭矩，所以重量很轻。

更换翼型后，因为新机翼面积变小，所以飞行速度会增加，降低零升阻力就变得比较重要，所以研发团队用蒙皮做了一个整流罩把飞行员包起来。沙夫特版本的“神鹰”，巡航速度4.5m/s，格雷格·米勒进行了一次5分钟的直线飞行，这在当时是一次非官方的世界人力飞行时间记录。但转弯仍然是个问题，扰流板可以很好地使飞机进入偏航，但却对侧滑无能为力。他们尝试在鸭翼下增加前置垂尾，甚至在螺旋桨后面增加了大型方向舵，这些部件不仅带来不小重量和阻力，而且实际效果也并不理想。在一次发散性转弯导致坠机后，他们开始进一步优化飞机的外形和结构。

通过仔细分析，研发团队发现飞机进行左转时，左翼空速低而右翼空速高，左翼的动压只有右翼一半，为了保持升力和滚转力矩，左翼在左转时需要更大的迎角。所以需要可以改变机翼扭转的装置，这个装置也简单，飞行员座位下有可以控制翼尖扭转角的导线，最大可以实现2度控制。最终确定的转弯流程为：想要向左转弯，就打开左机翼扰流板，左机翼的阻力升高、升力减小，飞机向左偏航并向左滚转，这时改变翼尖扭转使得产生一部分右滚力矩阻止飞机无限制左滚。翼尖扭转起到了副翼的作用，与扰流板一起在转弯时维持一个固定滚转角。

机翼支撑为又大又慢的螺旋桨提供了安装空间，螺旋桨直径在3.65~3.96m之间，弦长根据螺旋桨大部分区域都能提供有效的起飞和爬升能力而定，“神鹰”使用的两个螺旋桨基本是等弦长的，一个0.2m、一个0.25m。螺旋桨扭转与100~120rpm及4.5~6.3m/s前进速度相匹配，并且很容易在地面调整桨距。只能在地面调整桨距是因为麦克格雷迪认为可变传动比和飞行中变桨距是没必要的。

在“信天翁”发展的后期，使用了一个更先进的螺旋桨。麻省理工E.E.Larrabee教授及其学生在为他们的“蛹”飞机（一种人力驱动的双翼机）开发螺旋桨，提出了一种优化螺旋桨桨型和扭转的方法。麦克格雷迪选择了Eppler 193翼型，E.E.Larrabee教授根据“信天翁”的巡航状态对螺旋桨进行了优化设计，在之后的测试中发现优化后的螺旋桨性能显著提升。新的螺旋桨拥有较复杂的桨型，最大弦长0.25米，桨尖弦长仅0.05米。

  • 麦克格雷迪将鸭翼放低，一是希望获得地面效应的好处，二是让机翼不要处于鸭翼的尾流中。
  • 飞行中，翼肋会变形、蒙皮会随气压鼓起或凹陷。在“信天翁”上就使用了更紧密的翼肋和更紧绷的蒙皮来在飞行中保持光滑一致的外形。
  • “信天翁”相对“神鹰”继续朝着更小弦长进化，设计速度更快：6.3~8m/s，因为这是为长途飞行设计的，也是考虑到有逆风的情况。
  • 原来的飞机上，电线、管子、绳子及其他杂物（包括飞行员暴露在外等因素）的等效平面面积可能超过0.74平米，将飞行员包裹在机身整流罩后大概减少20%，仔细清理又能减少15%，研发团队为此仔细优化了飞机外表面能带来较大阻力的部件。
  • 因为飞行员需要新鲜空气来呼吸和冷却，在飞行员面部和腿部都增加了通风口。飞行员必须达到1kw或更高的散热功率，否则会出现脱水和过热。对于7分半的8字飞行，这是很重要的。

（欢迎关注公众号“飞行课”）

写这篇文章的时候正好看到波音及其他公司共同赞助的拥有1400万人民币奖金的GoFly个人飞行器全球竞赛刚刚落下帷幕。这个比赛要求开发一款不超过2.5米，且可以至少载重90kg以至少55km/h速度飞行32km的垂直起降飞机，大意就是“像汽车一样可以便捷使用的单人飞行器”。

今年并没有队伍完成比赛要求的任务，最终大奖也等待着将来被领取。与克雷默奖一样，GoFly个人飞行器全球竞赛是否会在将来产生如“游丝神鹰”、“游丝信天翁”一样的出色设计，将个人飞行器进一步推向现实呢？

我要回帖

更多关于 古代造飞机的是谁 的文章

 

随机推荐