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[心得交流] 变长悬挂整动扑翼的结构研究

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发表于 2017-1-19 11:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 人力扑翼 于 2017-1-19 11:51 编辑

魏朝阳  QQ2494954796 腾讯微博http://t.qq.com/weichaoyang8061?pgv_ref=im.perinfo.perinfo.icon

首先强化《人力飞行新方向——扑翼原理新解》和《人力飞机能超过螺旋桨飞机吗?》两文的主要观点:
a. 人力扑翼要在巡航滑翔速度下开始和进行。低于巡航滑翔的速度时,稳定性极差,以人的功率和操控反应能力难以维持平衡和加速,非常容易侧滑或急剧下坠。
b. 无论鸟类还是人力扑翼,巡航速度时的扑翼只能是基本保持极小正迎角的滑翔,必须随波浪形运动轨迹改变仰角。否则会显著增大阻力和载荷的垂直颠簸,浪费巨大能量,飞行效果还不如滑翔。
­c. 迄今为止的人力扑翼都失败在以上两点,还没有真正体现扑翼的主要作用原理。
d. 无论鸟类还是人力扑翼,巡航扑翼的主要原理,是在以小迎角、低阻力、大滑翔比的波浪形滑翔的基础上,基本保持载荷高度,通过改变翼和载荷的垂直距离的方式,对翼加载和减载。下滑时加载,提高加速度,增加动能,同时保持高度势能;上滑时减载,缩短恢复翼的高度的时间或减小翼的诱导阻力,减小动能损失。巡航扑翼的主要原理,决不是“扑”,而是保持载荷高度的变载波浪形滑翔。
e. 无论鸟类还是人力扑翼,巡航扑翼的难点绝不在于功率,而在于动作协调性。在使用弹性储能的情况下,人力扑翼需要输出的力会很小,主要运动负荷几乎和人体运动部位的质量相当。但是人力扑翼的动作协调性,则必须经过大量循序渐进的训练才能掌握。
f. 在角动扑翼方式下,人难以控制不同展向段所需要的不同仰角变化量。可行的是整动扑翼,即整个机翼整体地动作,使展向各段的波浪形运动轨迹的幅度基本一致,展向各段的翼仰角也基本一致地同步变化。

充分认识以上几点,在人力扑翼的实践上应该做到“四个必须”:
a. 一架人力扑翼飞行器,必须首先是一架滑翔机。
b. 一个人力扑翼飞行员,必须首先是一个滑翔飞行员。
c. 一个人力扑翼动作,必须首先是一个波浪形滑翔动作。
d. 一个人力扑翼试验和训练,必须首先是滑翔试验和训练。

当前正面临人力扑翼的革命性突破的历史机遇,理由是:
a. 螺旋桨人力飞机已经逼近技术极限。从1988年创造115公里飞行纪录以来,近三十年没有明显的技术发展。
b. 人力扑翼还没有实现主要的扑翼原理。法国和加拿大制造的人力扑翼飞机都没有主动仰角控制。
c. 小型扑翼的仰角控制技术成效显著 。德国、日本、中国都做出了相当成功的仿生鸟。
d. 对鸟类巡航扑翼的主要原理和人类扑翼的特点有了新的认知突破。作为扑翼基础的滑翔技术已经很成熟。
本文试探索变长悬挂整动扑翼的结构,供设计者参考。

1. 变长悬挂整动扑翼的基本机构
整动扑翼通过翼的整体和载荷之间的垂直距离的变化来实现扑翼原理。
整动扑翼在展向各段的垂直线速度基本相同,不需要主动扭转。
由于巡航扑翼中,翼对载荷要持续提供基本恒定的升力,这就使活动悬挂成为可能。
变长悬挂有三个操作自由度:俯仰角、横滚角和悬挂长度。
变长悬挂整动扑翼由仰角变化产生“扑动”,由实际载荷决定迎角,由维持载荷高度的悬挂伸缩量产生变载。各因素的因果关系是顺的,所以自然调整的过程也是顺的,自适应性就比较强。而不是反过来,在扑动的基础上调整迎角,不但难于控制,而且自适应性很差。
可见,由于变长悬挂避免了上扑时对翼的驱动,有利于避免载荷颠簸造成巨大能量浪费,避免迎角过大增大阻力。
操作上,首先是用仰角变化做好波浪形滑翔,在此基础上以维持载荷高度为准改变悬挂长度。


可用下图来说明变长悬挂整动扑翼的过程。



2.     变长悬挂式整动扑翼的悬挂结构
2.1  在现有硬滑翔翼基础上做少量改进
      现有的硬滑翔翼吊索在接近人体处分为数根连接于人体重心部位周围数点,以稳定人体姿态。
    可以将人体重心部位周围的矩形4顶点改为滑轮,延长4根吊索,通过滑轮后连接于脚部。这样,蹬腿和踡腿就能收放吊索长度。






图中只画出了一侧的两个滑轮。没画加固拉索。
在机翼和身体增加弹性吊带(如图中红线所示),最大伸展时的弹力稍小于载荷重量。这样,在踡腿时,只有体重和弹性力之差带动腿前移,而吊索承载拉力的部分能量拉伸弹性吊索,将能量存储于弹性吊索中;而在蹬腿时,只需克服体重和弹性力之差,就能轻松地保持身体高度不变。
为防止在空中吊索被过分拉长、脚踏脱离脚后被过分收缩,需要在滑轮后面的拉锁上的合适部位加装限位球,可以卡在滑轮处。
为了将传动比放大一倍,也可以在脚踏处设滑轮,吊索经脚踏上的滑轮折返连接于人体重心部。
这样的改进很简单,但是有以下问题:
a. 起飞时需要双臂更大的上举力拉伸弹性吊索。当然可以考虑用其它起飞方式,如牵引滑车。
b. 吊索长度改变时,对操纵杆的操纵有影响。为了防止横杆出现运动干涉,甚至需要将操纵杆向下延长。
但是由于可以利用现有的成熟的翼,这种改进不失为一种试验和训练的过渡方式。但是弹性力和伸缩量都不宜过大,能体验助力滑翔作用即可。

2.2 两级悬挂结构
为了克服悬挂变长和角度操控的相互干扰,可以采用两级悬挂机构(已报专利)。
增加一个支架。载荷的多点悬挂于支架的单点,构成下层悬挂。下层悬挂和支架之间可以有俯仰和横滚的角度变化,但悬挂长度不变。支架平面上的多点用多根吊索平行地悬挂于机翼的下平面的多点,构成上级悬挂。只要在悬挂变长时保持各吊索长度一致,同步伸缩,就能使机翼和支架的俯仰角和横滚角保持相同。
这种两级悬挂结构,角度操控和悬挂变长互相不影响。而且,由于对翼是多点悬挂,所以力量分散,翼的骨架重量可以减轻,以弥补增加支架的重量增加。支架的展向应该长些。
两级悬挂也比较容易安装人体(主载荷)的整流罩。
图中没有画弹性拉索。弹性拉索应尽量长,减小相对变长量,使不同长度的弹力尽量均匀。


本图是仰坐姿的。俯卧姿的类似。
这种结构的缺点是滑轮较多。

3. 变长悬挂整动扑翼的布局结构
3.1 关于水平辅助翼
显然,如果要加水平尾翼,是不能和主翼一体的,只能和主要载荷一体。
但是我认为加尾翼的意义不大。
螺旋桨人力飞机为什么有平尾或前置鸭翼呢?这是因为,螺旋桨的拉力线必须和主翼的安装角保持一定的固定关系,而主翼升心垂直线和拉力线无法都稳定地通过载荷质心,在不同拉力、不同速度时,会有不同的俯仰力矩,必须用辅助水平翼来平衡。
那么鸟又为什么会有平尾呢?第一,鸟的质心并不是总在翼的下面,没有悬挂稳定作用。第二,鸟翼的主动扭转需要有平衡力。第三,鸟的平尾在机动飞行时有重要作用,包括起飞和降落。
而变长悬挂式人力扑翼,第一,气动部件单一,升力和拉力都由主翼提供,受力关系简单。活动悬挂式结构本身有很强的俯仰稳定性。第二,整个翼的俯仰角是被直接操控的。第三,由于人的功率和操控能力的限制,不能奢望过强的机动能力和慢飞能力。
变长悬挂整动人力扑翼由于不需要辅助水平翼,又比螺旋桨人力飞机多了一个提高效率的重要因素。

3.2 关于垂直翼
当机翼有横滚角时,会产生反向偏航力矩。垂直尾翼对于减少这种耦合作用是有效的。高于质心的垂尾对横向稳定也有益。
但是变长悬挂整动人力扑翼也不需要加垂直尾翼。理由是:第一,人力扑翼的飞行速度通常不会超过40Km/H,垂尾的气动作用不大。第二,横滚角可以直接控制。第三,既然没有平尾,用个长秆子加垂尾,增加重量就不值了。
可以考虑在主翼上加垂直翼面,如翼尖部位。
采用有后掠的机翼,也能增加横向稳定性。
3.3 关于辅助固定翼
加拿大的第二架人力扑翼飞机,在采用角动扑翼的同时,增加了辅助固定翼。
变长悬挂扑翼如果增加辅助固定翼,其升力必须小于载荷重量和储能弹性力之差,否则会造成主翼失载、吊索松弛的危险。
增加辅助固定翼,要考虑以下各因素的平衡。第一,减轻动力的负载。第二,同时也减弱了扑翼变载量,减弱了扑翼的作用。第三,增加了阻力。第四,增加了重量。第五,对于姿态稳定并不是积极因素。第六,对于主要载荷的高度稳定有益,但代价是不同部位的气动力互相抵消,降低效率,是用无效能量来换取高度稳定。
综合来看,不增加辅助固定翼为好,除非精确自动控制的无人机。

3.4 关于多重翼
多重翼有利于充分利用空间,甚至后翼利用前翼涡流。
但是由于扑翼是靠变载来工作的,而多个扑翼使用同一个负载,如果他们不是同步地工作,载荷的变化会互相干扰得很严重。除非有精确自动控制,多重扑翼只能同步工作。
如果多重翼前后布局,那么又带来严重的俯仰稳定性问题。
而左右分布又没有太大必要,反而使支架尺寸和重量大增。
变长悬挂整动人力扑翼,倒是可以使用垂直分布的多层主翼。多点平行悬挂能保持各层翼的俯仰角和横滚角都一致。在各层翼的性能一致性较好的情况下,垂直串联的悬挂也能保证各层翼的载荷是等分的分布。


垂直串联多层翼可以减小翼展,这即有利于减小单位翼面的重量,又有利于运输。
垂直多重翼要有足够的高度间隔,减小下翼的下洗造成上翼的下翼面减压而产生的不利干扰。
垂直多重翼在起飞前,要有安装于支架的后托架,使翼不滑落到地上,并有放置仰角,能在一定前进速度下自行升起。


翼展小了,重量轻了,有利于提高耐摔抗毁力。还可以考虑增加翼骨架的弹性进一步提高耐摔抗毁力。

(后面打算写更具体的力学分析和高级机构研究)



 楼主| 发表于 2017-1-19 12:20 | 显示全部楼层
像串风筝不?对!原理差不多。
发表于 2017-1-19 16:43 | 显示全部楼层
需要补充数据。
数据来自模型。
模型尺寸可以是十分之一比例,也可以是二十分之一比例。
对照品是雪鸟号,这意味着还要做一个同样比例的雪鸟号。
后期工作很多。
只有通过模型验证之后才有下一步。
发表于 2017-1-19 18:02 | 显示全部楼层
 楼主| 发表于 2017-1-19 20:50 | 显示全部楼层
正规项目分为基础技术研究(包括概念研究、概念样机)、预研(包括原理样机、原理验证)、型号初样机、型号正样机、试生产、生产定型样机等多个阶段。
现在只是概念研究。这个阶段的要求是,能想到的都要尽量想到。

当然民间没那么复杂。反正风险自己扛。

点评

三角翼的结构肯定是不行的。  发表于 2017-1-20 08:45
翼型必须是能自平衡的,能够随着气流方向变化而自动调整迎风攻角。  发表于 2017-1-20 08:44
如果飞行员和翼面不能处于同一高度,就必须要有尾翼产生向下的力来平衡向前倾斜力矩。  发表于 2017-1-20 08:43
所以要飞行员和翼面尽量处于同一高度。  发表于 2017-1-20 08:38
翼面距离质心太远。翼面向下扑动并向前加速时,并不能带动质心向前加速。只会产生使飞机整体向前倾斜的力矩。  发表于 2017-1-20 08:35
发表于 2017-1-19 22:27 | 显示全部楼层
发表于 2017-1-19 23:58 | 显示全部楼层
发表于 2017-1-20 08:53 | 显示全部楼层
需要一张方案实施结构图。
根据这幅图能够将模型做出来。
模型可以由模型爱好者制造,也可以交由厂家制造。

点评

no one fund for the prototype. no money no talk.  发表于 2017-1-20 11:19
发表于 2017-1-20 13:09 | 显示全部楼层
总算看到图了。
按图1原理,悬挂距离大改变,没法解决双手操控三脚架同步改变迎角及操控左右转。。
按图2,没有完整表达人的位置。
按图3,两个悬挂点不符合悬挂式滑翔翼原则,下面三角操控架与双翼没有刚性连接,即无法操控改变迎角,也无法操控左右转弯。
所设计的多重滑轮和框架,不会比脚踏伞齿轮螺旋桨驱动系统轻。
按图4 图5无法操控串翼,多重短翼展诱导阻力过大,升阻比会大为减小。
空洞口号,代替不了科学设计。基本飞行阻力与速度关系不能随意创立。
尽管有老邱悉心指导,建议还是在三思而后行。

发表于 2017-1-20 14:38 | 显示全部楼层
楼主能否讲解一下转弯原理?
飞行员如何操控转弯?
发表于 2017-1-20 14:40 | 显示全部楼层
还有,飞行员如何主动改变飞行器的攻角?
例如降落的时候如何拉飘?
 楼主| 发表于 2017-1-20 19:38 | 显示全部楼层
真心感谢大家的讨论!试回答如下。
1.翼和载荷的垂直距离较远,俯冲加速时形成整体前倾(chendk的问题)。
这和现在的悬挂滑翔是一样的。当俯冲时,翼(伞)会超前前于人,上仰时,翼会在人后面。我前文里说过这个问题。翼的水平速度,俯冲时快,上滑时慢,而载荷在俯冲时落后于翼,上仰时超前于翼,载荷的水平速度就比翼均匀多了。在第一文里也说过,鸟翼也是下扑偏前,上扑偏后的。关键是,在这几种结构中,无论吊索如何倾斜,人都可以控制翼的俯仰角。于是,按前两文里说的,翼和人的前后移位,恰好有助于改变俯仰角的操纵力。
2.翼的自稳结构和三角翼(chendk的问题)。现在的三角翼有外洗结构,有缓失速和从俯冲中自动恢复的能力。还有什么更好的翼型?可以多讨论。

 楼主| 发表于 2017-1-20 20:55 | 显示全部楼层
下面回答有容乃大的问题。

1.图一的缺点和适用情况我文中已经说了。后面的两级悬挂就是解决变长操作和角度操作的矛盾的。

2.图二人的位置,已说明是仰坐姿势。吊椅高的这边(图的左边)是头,踏板那边是脚。也可以改成俯卧姿势的,比这个还简单,大家不难想象。

3.这里只画了侧面图,只看到两个滑轮、两根吊索。从正面看也一样的,也至少两个。
在支架水平面和翼的水平面上,悬挂点至少是三个,最好是四个,以纵轴为准形成轴对称的。

4.按平行四边形理解,无论吊索相对于支架或翼的角度如何,翼面和支架平面总是平行的。所以操纵支架倾斜就能操纵翼面倾斜。

5.支架和操纵杆之间仍然要有拉索,所以只会比现在翼的骨架的杆子更细。

6.多重翼的总翼展如果增大了,需要的迎角会更小,诱导阻力也会更小。

7.诱导阻力是速度的单降函数,这个经典的理论不是我的创造。我们争了这么多天,不知你从书上查到没有?

点评

滑翔伞全是软的,是怎么转弯的?  发表于 2017-1-22 13:30
真是水泼不进,所答非所问! 你的两极悬挂和主翼没有刚性连接,无法操控转弯!!! 多重翼肯定升阻比小,柔性串联更是不靠谱!! 老邱不要再费心   发表于 2017-1-22 13:22
 楼主| 发表于 2017-1-20 20:59 | 显示全部楼层
下面回答老丘的问题:
前面的回答已经说明了,从正面看和从侧面看,都是平行吊索。所以翼的俯仰角和横滚角,总是和支架平面相同的。

转弯仍然是横滚加推杆,改变功角仍然是推杆。

点评

是一样的。三角翼前后左右改变重心位置,等效于改变翼相对于重力线的角度。  发表于 2017-1-20 21:32
是不是通过重心转移转弯,如果三角翼那样转弯?  发表于 2017-1-20 21:17
 楼主| 发表于 2017-1-20 21:01 | 显示全部楼层
本帖最后由 人力扑翼 于 2017-1-20 21:10 编辑

总之,文章比专利文件简单多了。有不清楚的我再解释。
发表于 2017-1-20 21:09 | 显示全部楼层
四个必须:1滑翔机
楼主所讲的滑翔机是不是下图那样的滑翔机?
 楼主| 发表于 2017-1-20 21:11 | 显示全部楼层
本帖最后由 人力扑翼 于 2017-1-20 21:19 编辑

不是。我认为不需要机身和尾部,而是悬挂式。

我所说的滑翔机是广义的,只要能达到比较大的滑翔比,有比较好的滑翔性能就行。

对不起这是模界的习惯,甚至把塞斯纳都说成是滑翔机。淘宝上这种广义的说法多的很,只要滑翔性能还行的都敢冠以滑翔机的称呼。

悬挂滑翔翼不也常有叫滑翔机的吗?

点评

耶!  发表于 2017-1-20 21:42
hang glider: 三角翼,悬挂滑翔翼, glider(sailplane):滑翔机  发表于 2017-1-20 21:31
 楼主| 发表于 2017-1-20 21:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 人力扑翼 于 2017-1-20 21:41 编辑

chenlk:在两级悬挂中,下级悬挂和上级悬挂的摆长大不一样,所以摆荡相位不会同步的。无论如何摆荡,只要人能操控主载荷重力线和支架的角度关系,就能操控翼的俯仰角和横滚角。

和滑翔伞、滑翔翼一样,是靠重力线稳定主载荷的姿态,而不用尾翼
 楼主| 发表于 2017-1-20 21:28 | 显示全部楼层
文中所说“下层悬挂和支架之间可以有俯仰和横滚的角度变化”,也就是活动悬挂,接点是吊索或者万向活节。下层悬挂靠重力维持角姿态,而支架则由人的推拉横摆来改变相对于主载荷(重力线)的角度。
 楼主| 发表于 2017-1-20 21:38 | 显示全部楼层
本帖最后由 人力扑翼 于 2017-1-20 21:45 编辑

三角翼前后左右改变重心位置,和改变翼相对于重力线的角度完全是一回事。

在两级悬挂中,主要载荷(人)和支架的关系,相当于现在的人和三角翼的关系。

换句话说,把现在的三角翼的布全去掉,骨架缩小一些,然后从这空骨架向上再三点或四点平行悬挂一个翼,就形成了两级悬挂。

所以专利的“权利要求”,只说增加了一级平行悬挂并且和原有的单点活动悬挂相结合。
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