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[心得交流] 人力扑翼能超过螺旋桨人力飞机吗?

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发表于 2017-1-12 14:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 人力扑翼 于 2017-1-12 21:13 编辑

作者:魏朝阳 QQ2494954796
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本文是《人力扑翼新希望——扑翼原理新解》的续篇。那篇主要是用反证法倒逼出大型扑翼飞行特别是人力扑翼飞行的几个要点。那么,人力扑翼飞行器能超过螺旋桨人力飞机吗?本文主要从正面来更具体、更形象地说明 “滑翔式”扑翼原理和优越性。也有结构上的重要新补充。
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1. 滑翔扑翼的力学原理
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前文从动能和势能的角度解释了滑翔扑翼的基本原理。这里再从力学分析的角度讨论。
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以往对扑翼的最大认识误区,就在这个“扑”字上。严格地说,扑的含义是用整个翼面去推动空气,利用垂直于翼面的巨大阻力。而在巡航中“扑”一下就前进好几米的情况下,显然这种 “扑”的企图除了增大阻力、消耗大部分能量之外没有啥好作用。只有柔性被动变形产生一点推力,往往还不足以补偿增大的阻力,甚至难以保持升力。
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既然在巡航中,只能保持小的正迎角滑翔才能减少阻力并保持升力,变“扑”为“滑”,那么又如何产生动力呢?
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其实道理很简单,既然在波浪形滑翔中,下滑能加速,上滑又会减速,那么在下滑时加把劲儿,上滑时松把劲儿,合起来就有剩余推力了。
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加把劲儿的方法就是加重翼的负载,载荷相对于翼上抬就是加载。减把劲儿的方法就是减轻翼的负载,载荷相对于翼下落就是减载。一抬一落,不但产生了剩余推力,而且恰好保持了载荷的高度,既稳定又节能,一举多得。
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下面再用比较学术性的话说一遍。
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首先看翼和载荷的垂直距离不变的纯粹的波浪形滑翔。当机翼仰角为负时,翼面升力前倾,产生水平前向分力。当仰角为正时,翼面升力后倾,产生水平向后分力。这就把垂直单向向下的载荷重力,先后转变成向前和向后的水平双向力。在无阻和对称的理想条件下是正好互相抵消的,没有剩余水平力产生。但是,这种“单变双”,却为下述的“双变单”提供了背景。
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负仰角时,“拉紧”载荷和机翼的垂直距离,对机翼加载,增加升力的前向分力。正仰角时,“放松”载荷和机翼的垂直距离,对机翼减载,减小了升力的后向分力,等效于叠加了一个前向分力。于是,在上述背景下,垂直方向上的双向变载,就都变成了向前的水平单向力。也就是说,一个有正有负的往复运动有了剩余推力。
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可以看出,仰角的正负变化,是扑翼主要作用的必要条件。凡是不控制仰角变化的扑翼,都体现不出扑翼的主要原理。
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还可以看出,不随机翼运动的其它载荷,也是扑翼的必要条件。单独的机翼(例如飞翼)即使能作波浪形滑翔,也不会有扑翼作用,因为没有变载发生。其它载荷相对于机翼质量越大越好,但总质量的绝对值还是越小越好。飞行功率正比于质量的四次方,所以减重是首当其冲的。
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上文说,扑翼动力的主要作用是维持载荷高度基本不变。通过本节分析可以进一步说,扑翼动力的主要作用,是在机翼波浪形运动的基础上,对机翼加载或减载,以产生剩余推力。但是一定要加以区分的是,这种加载和减载不能看作是驱动翼上下扑动的主要原因,只是一个辅助因素。特别是上扑,只是减载,毫无驱动。否则,就难免出现实际迎角偏大而使阻力大增的现象。
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这些只是基本原理分析。再细化还有许多复杂的细节,例如阻力引起的不对称、加速度引起的合力不为零等各种非对称、非均匀的情况,在数字仿真和设计优化时还需具体计算,但不影响宏观的基本原理。
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2. 人力滑翔扑翼怎样用力?该用多大力?
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本节从变长悬挂整动扑翼飞行的角度,直观地想像扑翼的过程和用力。
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首先,拉杆俯冲,水平蹬腿(缩短吊索),抬身加力。当机翼下降量接近吊索最大变长量时,推杆爬升,快速收腿(放松吊索),使机翼轻飘飘地快速恢复到俯冲前的高度。简言之:用力拉、蹬,快速推、松。
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完成这个周期,人体高度没变,由于有“剩余推力”,速度也可以不变甚至增加。
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在这个过程中,蹬腿用的力主要是重力、垂直加速度的力、滑轮摩擦力、腿部质量加速度力。全加起来,也应该比蹲在地上快速站起时所用的力要小。
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收腿动作是顺着吊索力完成的,腿力只是用于控制放索速度(反向)和腿部本身质量的运动(正向)。
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3. 变长悬挂系统的传动比和弹性储能
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为了加大扑翼幅度以降低频率,可以采用多级滑轮组,即吊索在腰和脚之间多绕几圈。腰和脚之间的吊索排列数,就是吊索伸缩量对蹬腿量的倍数。
但是,这时蹬腿所需要的力也随传动比同倍数增加。
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由于蹬腿和收腿时,脚所受的力都是向收腿方向的,所以可以用弹性器件来平衡。把蹬腿行程的大部分力,转移到收腿行程的反方向上去,那么两个行程的力就都所剩无几!例如,在机翼和载荷之间并联拉力橡筋,类似蹦极弹性吊索。在收腿时大部分拉力的能量存储于弹性器件,在蹬腿的时候释放出来。
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还可以尝试用弹性器件使登腿和收腿的受力有一定对称性,会有自激振荡效果。设计调整得当的话,只需要很小的力对振荡增加激励就可以了。就像荡秋千、钟表游丝。
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注意,弹性器件千万不可以和吊索串联!因为,串联会使载荷和机翼之间的距离失去控制,即使是合拍的振荡也难以实现扑翼的基本原理。
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利用弹性来扑翼,是早已有的扑翼技术。用对了能数倍的提高效率。远超螺旋桨人力飞机是大有希望的!
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如果能有超过等速平飞的余度,可以用扑翼动作逐渐爬升到一定高度,再停止扑翼,滑翔一段,以作休息。吊索应该有锁定机构,在纯滑翔时锁定,腿部可完全放松。间歇使用体能,更可以显著增加运动时间。
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4. 反操控力的动态特性
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机翼俯冲时,由于速度加快,会相对于人体前移,即升心前移,这有助于俯冲结束时的推杆抬仰角的操控动作。而机翼恢复高度时,由于速度减慢,会相对于人体后移,即升心后移,这也有助于爬升结束时的拉杆压仰角动作。所以,整体运动的动态特性,应该是有助于操控的,或者说操控是可以顺势而为的。
人体的前后振荡,应该在相位上比机翼的纵向加速度晚几十度,也有利于操控。
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必要时还可以设计有诱导作用的不规则弯曲操纵杆。
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5. 机翼后缘和三角翼外端的弹性被动扭转
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由于在弦线不同位置上,未变形的弦线和实际运动方向的角度不同,而且由于惯性的作用,在仰角急剧改变方向时,后缘以及三角翼的外缘会产生被动扭转力。如果弹性强弱分布适当,可以形成向后传播的波动,产生前推力。
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弹性的分布要适合巡航速度、扑翼动作特性,才能发挥最好的作用。本人认为,非弹性的柔性变形,例如松弛的布类,则会产生更大的阻力。
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但是,有理由相信,被动扭转波动并不是产生推动力的主要因素。这里又要用反证法。如果被动扭转波动是产生推动力的主要因素,那么在一次仰角变向及其产生的变形基本结束后,就应该立刻反向改变仰角。但是很多大幅度、低频率扑翼的大型鸟类,仰角和形状基本不变的扑动行程和时间都相对较长,说明这种较长的动作才是产生推力的主要过程。
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6. 扑翼和螺旋桨的对比
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通过以上分析可以看出,扑翼和螺旋桨,都是利用气动面把动力力方向转了一个直角形成推进力。那么,它们有什么不同呢?
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第一,从气动效率看。扑翼的气动面的展长远远大于螺旋桨。螺旋桨的“展向”是桨叶的长度。从展向各段来看,鸟类扑翼虽然是角度运动,各段线速度不同,但各段的扭转角是动态调整的,所以各段的效率都比较高。整动扑翼的展向各段则区别不大。而螺旋桨的桨叶扭转是固定的,各段的效率差别很大。螺旋桨是以转速来弥补有效展向小的不足,而在外端线速度很大,阻力随速度平方级增加,所以其动力有很大部分消耗在阻力上了,搅动空气旋转或产生翼尖涡流,都是无用功。而扑翼因为有效展向大而运动速度慢,阻力就很小,动力损耗也就很小。这就是上文所说,要追求极端效率,任何气动面的任何方向上的线速度都不应该显著大于飞行速度。
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第二,从传动效率看。扑翼的慢速运动,传动简单而效率高。螺旋奖则必须有高速旋转量传动,效率低,重量大。悬挂式整动扑翼可以使用柔性吊带传动,对人力飞行来说远优于螺旋桨。
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第三,从功能兼并看,扑翼的翼同时提供升力和动力,而固定翼加螺旋桨的结构则多出了一套螺旋桨。
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第四,从运动方式看。螺旋桨是旋转运动,均匀性强,运动频谱单一,机械相对加速度小,高速运动时机械惯量都起稳定转速的积极作用。但这种高速优势对人力飞行却发挥不出来。扑翼是往复运动,非均匀、非对称,运动频谱宽,机械相对加速度大,高速工作时会损失大量能量。但是对人力飞行,不需要高速运动,这些缺点也就体现不出来。而且,往复运动的机械惯量,处理好了还能形成可以利用的振荡,进一步提高效率。
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第五,螺旋桨除了加动力没什么好控制的,而扑翼的飞行效率则和控制技巧有很大关系,操作难度大。
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7. 关于已经试验的人力扑翼飞机
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已经尝试过的人力扑翼飞机是加拿大的“雪鸟”号,飞行距离145米,是螺旋桨人力飞机“代达罗斯”号115公里世界纪录的千分之一多。
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“雪鸟”号是柔性角动扑翼,没有主动控制仰角,只有一点被动扭转起作用。在下扑时只有一点被动扭转使外端翼面升力稍向前倾,获得的前向分力很少。上扑虽然也因被动扭转使外端翼面有少量前向分力,但同时产生显著的负升力。为了保持平飞就需要使机翼的安装角或飞机的姿态角抬起来,而这又减小了下扑时翼面升力的前倾量。而且,相对于前进速度和扑翼垂直线速度所合成的波浪形运动轨迹上的实际迎流方向,翼的迎角会比较大,这种较大的迎角除了产生上扑和下扑相反的升力而浪费能量以外,还会增大阻力。
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可以看出,“雪鸟”号只是形式上在扑翼,但是并没有真正体现扑翼的主要原理,大部分能量是被浪费掉了。所以,不必因为人力扑翼的当前水平而对其前途悲观,反而应该因为发现了现有的严重问题和新的方向而看到巨大的发展潜力。
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严格地说,“雪鸟”号飞行的145米,有多少是由于扑翼而大于纯粹滑翔的呢?恐怕就更少得可怜。
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加拿大又做了一架人力扑翼机,角动机构是刚性的。也没有主动控制仰角。起飞后因偏航侧滚触地摔坏了。
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8. 未来人力扑翼飞机和人力螺旋桨飞机的对比
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具体可以有两类人力扑翼飞机来比。
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第一种,像现有的人力螺旋桨飞机一样,主要目标是一次性参赛或验证,少考虑多次使用的耐用性,少考虑可拆装和便携带,少考虑较高的高度以及多种地形条件下的安全性,只是水面或极平坦的平原作超低空飞行,甚至只利用地效应飞行,那么,现有的硬滑翔伞还可以大幅度减重,甚至机翼结构也可以改用人力螺旋桨飞机或滑翔机的样子。从“公平”的角度讲应该这样。
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第二种,考虑一定程度的普及实用性,即使重一些,不能打破人力螺旋桨飞机的纪录,在实用上也超过了它。
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我以为,两种方式都应该发展,验证比较和实用性都是需要的。特别是,由于扑翼飞行的技巧性很强,需要更大量的训练,即使只为了竞赛,大多数训练也需要先用结实方便的扑翼机来做。
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人力螺旋桨飞机几乎接近技术极限,发展余地只有等待更轻的材料,以及用智能变形材料做桨叶,效率不会再有大幅度提升。
而人力扑翼飞机,应该说真正实现扑翼主要原理的还没有出现,所以前景广阔。
 楼主| 发表于 2017-1-12 17:18 | 显示全部楼层
从原理上来说,可变悬挂长度的人力扑翼,有效的力只是垂直加速度相应的力。除此之外的力都可以并应该用各种技术去减少。因此,理论上允许工程技术设计把人体重力完全用弹性力对消掉。当然在工程技术上,变长等弹力比较难,可以尽量做。

垂直加速度的力,在直线俯(仰)时很小,几乎可以忽略不计。只是上、下顶点处比较大,看变仰角有多急了。所以,做好了弹性缓冲的话,扑翼要用力的远比荡秋千还小得多!大部分体能消耗恐怕还是人体自身质量的运动和保持姿势,这就需要大量的训练。如此,超过螺旋桨人力飞机的116公里纪录应该很有希望!
 楼主| 发表于 2017-1-12 20:36 | 显示全部楼层
鸟类飞行的高速摄影
http://v.youku.com/v_show/id_XMTQ5MjQ1MzIzNg==.html?spm=a2h0j.8191423.module_basic_relation.5~5!2~5~5!8~5~5~A&from=y1.2-1-105.3.6-1.1-1-1-5-0
第二、四、六是巡航飞行。可以看出,外展扑动幅度大的地方,仰角变化明显。
发表于 2017-1-12 21:43 | 显示全部楼层
 楼主| 发表于 2017-1-13 00:09 | 显示全部楼层
再补充一点。在下扑时加载是比较费劲的。所以,第一,最大弹性力要尽量接近载荷重力,蹬腿在弹性力的辅助下,能保证载荷不掉高度或稍有上升即可。反正下滑总是会加速的。第二,上滑角应大于下滑角的绝对值,因为上滑时减载不太费劲。这样,可以在载荷基本保持高度的条件下,使上扑时间短于下扑时间。阻力作用时间短了速度损失也就小了。总之,减载甚于加载,就比较省力。
发表于 2017-1-13 02:33 | 显示全部楼层
本帖最后由 有容乃大 于 2017-1-13 07:53 编辑

魏先生既然已经申请了专利,就请少费文字笔墨,把所申请专利附图介绍出来,再加以简要原理说明你所设想的,通过双脚往返蹬踏,绳索滑轮系统,来改变悬挂长度,就能把滑翔比比大于12的滑翔翼飞起来的道理。
     总之,魏先生虽然与老邱交流顺畅,似乎相互理解。旁观者总感觉一头雾水,感觉交流成本太高。一再地长篇文字理论描述,再加些自己认定的所谓原理,又没有数学公式关系的解释,就把螺旋桨推进否定,把扑翼飞行定义为未来人力飞行器械的发展方向。实在难以说服读者。尽管此篇标题给的是问号,但作者似乎把扑翼飞行特别是人力扑翼飞行已经定位为未来人力飞行新方向。
    至少,在拜读两篇长文字后,我们还是没有信服作者的新理论或者新设计。“特绿飞行“公司未来要研发生产的人力驱动滑翔翼,还是会以脚踏螺旋桨为驱动方式。既然魏先生也看好悬挂式滑翔翼,我们“特绿飞行”在此愿意和魏先生设计未来制造的人力扑翼滑翔翼下个挑战书!大家都努力把各自样机设计制造出来,将来在一起同场竞技,以同样的翼展为限制条件。(如果平地起飞有困难,可以在同一高度的高台起飞。)看看哪一种驱动方式效率更高,人力能飞得更久!希望魏先生能公开接受这一挑战。
 楼主| 发表于 2017-1-13 08:54 | 显示全部楼层
三角翼已经飞得很好,可变悬挂长度是在此基础上飞得更好而已。
对理论基础比较好的朋友来说,文字表述足够了。况且一些重要的关系是非解析的。
螺旋桨在低速时的效率低,是早有的理论。在轮船用螺旋桨代替轮桨时就有效率对比曲线。最近西工大搞滚翼也有对比数据。
鸟类飞行效率远远高于人造飞行器,也是共识,有数据支撑的。
有共识的事,我表达不好是我的过,但还是要承认共识的,除非拿出新的数据来推翻,也只能科技界内用论文。论坛不是推翻共识的地方。

非常赞赏特绿飞行公司研发螺旋桨式人力滑翔翼!也非常赞赏你们下挑战书的豪气!我第一时刻接受挑战!第二时刻投降,并为你们助威!
 楼主| 发表于 2017-1-13 10:36 | 显示全部楼层
本文中所说的“加载”和加重是不同的。俯冲时加重虽然能相应增加前向分力,但是不能增加前向加速度,因为力还要除以质量才是加速度。而加载是由于载荷和机翼之间的吊索变长产生的,质量没变,所以增加前向分力的同时也增加了前向加速度。减载也是一样的道理。
发表于 2017-1-13 11:09 | 显示全部楼层
人力扑翼 发表于 2017-1-13 10:36
本文中所说的“加载”和加重是不同的。俯冲时加重虽然能相应增加前向分力,但是不能增加前向加速度,因为力 ...

我同意你的绝大多数的理论。和我的想法是一样的。不知道能否找到赞助。可以制作一个扑翼机。我来做设计画图。
 楼主| 发表于 2017-1-13 12:27 | 显示全部楼层
不同意的说说更好呀!技术嘛!

也可到我QQ里单聊2494954796

找资金应该不是太难的事,但是要具备一些基本条件。
发表于 2017-1-13 14:37 | 显示全部楼层
楼主洋洋洒洒长篇大论,只能忽悠外行,就不要在此献丑了。是骡子是马,拉出来溜溜。本次珠海航展有扑翼模型展示,你有模型吗?有本事让我们测测效率。
 楼主| 发表于 2017-1-13 15:59 | 显示全部楼层
你在功率速度关系那里一点评,不觉得已经显露出来了吗?
 楼主| 发表于 2017-1-13 16:33 | 显示全部楼层
加拿大的第二架人力扑翼飞机,如果和第一架一样,先用牵引起飞进入巡航滑翔,再尝试扑翼,会得到更多有益的数据。可是却从起飞开始试,从很难的环节开始,速度不够就很难控制,侧翻触地是大概率事件。真可惜呀!

从刚离地的动作来看,上下和俯仰的颠簸摆荡比较明显。还是仰角的问题。

没有主动仰角控制不行。没有从巡航状态开始的大量训练也不行。
 楼主| 发表于 2017-1-19 11:59 | 显示全部楼层
又发了《变长悬挂整动扑翼的结构研究》。
这可以具体讨论了。
 楼主| 发表于 2017-1-25 23:23 | 显示全部楼层
又发了一个图说飞行方式的帖,可得一乐!
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