体能ＯＲ智慧的挑战？.docx

    体能ＯＲ智慧的挑战？    刘　林1980年，美国直升机协会(AHS)创立了一项名为伊格尔-西科斯基的人力直升机竞赛，获胜者或者获胜的团队将获得2万美元的奖金将近30年过去了，至今无人可以领走这份奖金在今年的美国直升机协会年会上，西科斯基飞机公司的总裁宣布将这项奖金提高到25万美元同样以人力为动力，人力固定翼飞机的进度就要快得多了1977年，美国的麦克克莱迪博士设计的“薄翼秃鹰”人力固定翼飞机飞行成功随后，他设计的“薄翼信天翁”号人力固定翼飞机更是在1979年飞跃了英吉利海峡那么为什么人力直升机在人力固定翼飞机成功飞行之后30多年还不能飞起来?直升机的出现落后了固定翼飞机30多年，现在看来，人力直升机将落后人力固定翼飞机的时间可能要远远超过30年了落后原因何在?人力直升机迟迟不能获得成功的原因是什么呢?到目前为止，人们在人力直升机的探索上取得了哪些成就?人力直升机到底有没有实现的可能呢?如果有，技术难点在哪里?如果没有，又是什么原因剥夺了这种实现的可能性?在探讨这些问题之前，让我们先来看一下美国直升机协会人力直升机竞赛对于参赛直升机的主要要求第一，飞机必须是比空气重的飞行器，禁止使用气球拉动飞行器(比如氦气球)；第二，飞行器应为旋翼构型，可以在静止的空气中垂直起飞和降落，机组中至少有一名成员不应处于旋转之中；第三，飞行器在整个飞行过程之中，包括将旋翼加速到起飞速度的过程中，将由机组成员提供动力和操纵；第四，禁止在起飞和飞行中使用任何储能设备。

提供升力和控制的旋转空气动力构件(比如旋翼桨叶)不在储能构件之列；第五，在旋翼加速和起飞的过程中，飞行器的任何部位不能得到弹射然后我们再来看一下这项竞赛对于飞行的主要要求第一个要求是飞行器可以悬停1分钟；第二个要求是在悬停过程中，飞行器的位移不能超过10米；第三个要求是飞行器最低的部位在瞬间与地面的距离要超过3米固定翼飞机比直升机更早获得成功的一个主要因素是固定翼飞机可以充分利用在前进过程中流过飞机的大量空气从而产生升力不要小看这个充分利用的问题，机翼产生的升力使固定翼飞机保持在空中所需要的功率比直升机小得多对于飞行器来说，较小的功率要求一般意味着较大的成功可能固定翼飞机在空气中滑动，飞机的升力靠大量流过机翼的空气产生，有点四两拨千斤的感觉而直升机在垂直起飞时桨叶做圆周运动，在垂直起飞或者悬停时，直升机的升力是靠将静止的空气向下使劲的吹动产生的，有点儿生拉硬拽的感觉打个比方说，跳高运动员一般在跳跃横杆之前要经过一段助跑，这就好比固定翼飞机，起飞前要滑跑对于直升机来说，就好比这个跳高运动员被剥夺了助跑的权力，要他早地拔葱如果武侠作品中的描写不算的话，这个运动员旱地拔葱的高度一般是比不上他助跑后所能跳过的高度的。

旱地拔葱只是描述表面现象，更专业一点儿的探讨这个问题就要涉及到机翼的阻力这个概念我们前面谈到了功率，可以说，一谈到功率，就要和阻力联系起来因为从根本上说，功率最后就是消耗在克服阻力上了而机翼的阻力包括诱导阻力和形阻，形阻又可以进一步区分为压差阻力、摩擦阻力和涡流阻力诱导阻力的产生是和机翼的升力相关联的，是升力的副产品，所以被称为诱导阻力在低速时，诱导阻力大于形阻力，并且诱导阻力随着飞行速度的增加而减小，实际上诱导阻力和飞行速度的二次方成反比例形阻力和诱导阻力正好相反，随着飞行速度的增加而增加，确切的说和飞行速度的二次方成正比例在高速的条件下，形阻力大于诱导阻力诱导阻力和形阻力相加就是总阻力诱导阻力和形阻力各自随飞行速度变化的特性决定了总阻力先是随飞行速度增加而减小在某个特定的速度下达到最小阻力之后，又随着飞行速度的增加而快速增加在直升机垂直起飞的过程中，飞行速度为零如果将直升机旋翼扫过的面积看作一个圆盘，此时由于飞行速度为零，诱导阻力非常大而固定翼飞机在低速或者中速的飞行条件下，可以在很大程度上将阻力降低这就是前面提到的充分利用了流过机翼的空气流，极大的降低了阻力阻力的降低意味着对功率要求的降低，也就是以速度换效率。

这就是直升机或者人力直升机比固定翼飞机或者人力固定翼飞机出现晚的物理原因已有的探索现在我们简单的回顾一下人力直升机的发展在1980年人力直升机竞赛设立之后，有记载的尝试超过了20个，但其中只有两个飞行器离开了地面尽管如此，它们的飞行表现离竞赛的要求还是相差甚远第一架成功离开地面的人力直升机是加州理工大学的一些师生们设计制造的“达芬奇”Ⅲ号(Leonardo Da Vinci Ⅲ)从1981年开始，在比尔·帕特森教授指导下，加州理工大学的学生们设计了一系列人力直升机达芬奇”Ⅲ是这个系列飞机的最后型号，在1989年进行了飞行尝试它的旋翼直径达到了30米，有两片桨叶，桨叶由位于桨尖的螺旋桨推动驾驶员踩脚蹬将动力传到一个绞车上，绞车通过绕在螺旋桨轴上的张线带动螺旋桨旋转达芬奇”Ⅲ号最后取得了离地20厘米，滞空8秒钟的成绩作为第一个离地的人力直升机，这个成绩足以令帕特森教授和他的学生们自豪1994年，在内藤昭教授的领导下，日本大学的“百合花”1号(Yuri I)成为第二架成功飞起来的人力直升机这架飞行器有四个旋翼，每个旋翼带有两片桨叶，旋翼的直径达到10米百合花”1号的动力也是通过脚蹬提供百合花”1号取得了离地51厘米，滞空时间20秒的成绩。

和“达芬奇”Ⅲ号相比，进步是明显的但即便如此，“百合花”1号的成绩和人力直升机竞赛离地3米，滞空1分钟的要求还是有非常大的差距到了上世纪90年代末期，只剩下两个人力直升机项目还在继续，一个在密歇根大学，另外一个在大不列颠哥伦比亚大学这些学校都是靠自己的资金和资源在搞这个项目，工业界和政府没有提供任何资金各个项目之间的资源信息共享和合作还非常欠缺进入21世纪之后，由于多方面原因，人们对于人力直升机的热情似乎渐渐的消失了大概这也是西科斯基公司突然将奖金提高到25万美元的原因吧如何才能成功?我们现在知道人力固定翼飞机早已经飞行成功了，人力直升机却还任重道远而两者的差别就在于人力直升机需要更强的动力，也就是人所提供的动力对于一个体力很好的运动员来说，可以在1分钟的时间里维持大约0.67马力到0.8马力的功率水平(1马力＝735瓦)如果他使出吃奶的劲，可以在10秒钟之内维持大约1.34马力的功率根据这个功率水平，我们可以计算出来这个运动员在精疲力尽之前可以在1分钟里释放出36千焦的能量同时不要忘了，这个运动员的体重要尽可能的轻现在假设这个运动员可以持续的输出0.8马力的功率，同时假设运动员和飞行器的总重是90千克。

百合花”1号光飞行器的重量是38千克，“达芬奇”Ⅲ号飞行器的重量是44千克如果运动员的重量以60千克算的话，90千克的总重意味着飞行器的重量只有30千克，这个假设应该说已经比较小了另外我们假设旋翼的效率指数是0.75旋翼的效率指数是衡量旋翼效率的一个参数，指数越大说明旋翼的形阻力所带来的能量损失越小(压差阻力是最主要的形阻力，另外还包括摩擦阻力和涡流阻力)，效率越高理想的旋翼效率指数是1，这时没有任何形阻力带来的能量损失，全部的能量都用来克服诱导阻力了，但这种旋翼只存在于书本中0.75的旋翼效率指数说明75％的能量用来克服诱导阻力，只有25％的能量用来克服形阻，这应该说是比较理想的旋翼了我们再假设飞行是在海平面的高度进行，因为这个高度的空气密度最大，对于飞行最有利现在我们综合一下这几个比较理想的参数：90千克的总重量，0.75的旋翼效率指数，还有驾驶员可以恒定的输出0.8马力的功率在这几个条件下，通过基本的直升机空气动力学理论计算出飞行器垂直起飞所需要的旋翼直径尺寸——47米!现在我们可以更深入的看到人力直升机成功飞行的困难所在了这就是要将带有直径达到47米旋翼的飞行器的重量控制在30千克以下，或者说将30千克的飞行器的旋翼直径保持在47米以上。

要使得这么大而又这么轻的飞行器的结构达到足够的强度和刚度可不是一件轻而易举的事其中一个办法是化整为零，就是采用多个旋翼——就像“百合花”1号的构型那样由于升力被分配到四个旋翼上，每个旋翼的尺寸就可以降低了仅仅让飞行器飞起来就已经很困难了，但是要想赢得人力直升机竞赛25万美元的西科斯基奖金，还要能够在空中悬停达1分钟之久，并且能够在这1分钟里的某个瞬间，达到离地3米的高度满足这两个条件对驾驶员的能量要求也基本上接近了人类能量极限，也就是我们前面提到的36千焦可以说人力直升机成功的瓶颈在于非常有限的可用功率和可用能量，也就是人的体能(竞赛要求中还特别提到了禁止驾驶员和机组成员使用兴奋剂)解决的出路在于减小飞行器的重量在重量上做文章的空间虽然已经不大了，但好像这也是唯一还有空间改造的地方这就要依赖于在材料和结构领域的突破性技术进展至少在目前的材料水平上，人类直升机成功还不存在可能性但是在航空技术史上，有很多曾经被认为是不可能的甚至如天方夜谭般的设想最后都被人类实现了人力直升机也许也是这许多不可能之中的一个吧尾声最后透露一个秘密文章的开始我们提到2万美元奖金在当时其实是一个空头支票最开始这笔奖金是存在一个银行存款帐户的区区500美元。

奖金设立者预计在有人能够造出满足竞赛要求的直升机之前，这500美元将会通过每年的利息增长到2万美元挺佩服奖金设立者的工程预见水平的责任编辑：新浜  -全文完-。