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[心得交流] 差动变载人力扑翼构想

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发表于 2019-5-5 16:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 人力扑翼 于 2019-5-15 23:34 编辑

差动变载人力扑翼构想

作者:魏朝阳 QQ2494954796

一、结构
       1是整体结构位置关系的立体图。
    机翼是2个(也可以更多),气动特性尽量一致。用4点(也可以考虑3点或更多点)悬挂支架。支架和操纵杆固连。支架中心(对应机翼的压心)铰接悬挂人体(可前后左右摆动)。
图2是整体结构位置关系的侧视图和正视图。



    注1:以上表示的是俯卧姿势的结构,也可以改为仰卧姿势的结构。
    注2:图中没有画加固拉索以及吊索和机翼之间的分支吊索。
    除了加固拉索之外,软索系统分为承重吊索和控制拉索。支架以上的承重吊索和控制拉索的结构见图3,图中只画出了支架一个端点,其它端点相同。
    上翼的承重吊索和下翼的承重吊索通过支架上的承重滑轮连为一体。这种结构保证了:第一,两翼的悬挂长度的改变量大小相等、方向相反。第二,对两翼的悬挂拉力的改变量大小相等、方向相反。第三,两翼的综合拉力作用于支架,由支架承重,而控制拉索不承重。
    两翼的控制拉索分别经各自的支架端点变向滑轮、支架中心变向滑轮、腰臀部变速器后,连接至脚蹬踏板。连接关系如图4所示,为了看得清楚,不按实际路径画,一些部件的位置关系也是大概的。
    具体连接关系为:
    第一脚蹬连接上翼,脚尖连接上翼前缘(含上翼左前和上翼右前),脚跟连接上翼后缘(含上翼左后和上翼右后)。
    第二脚蹬连接下翼,脚尖连接下翼前缘(含下翼左前和下翼右前),脚跟连接下翼后缘(含下翼左后和下翼右后)。
    控制拉索的实际路径之所以要经过支架端点、支架中点,是为了增强对翼的姿态的控制,并且使拉索的作用和支架角度调整互不干涉。
    变速器的作用,第一是使悬挂长度的变化幅度大于蹬腿幅度,以降低往复动作的频率;第二是增大了用脚底板角度控制翼弦线角度的灵敏度;第三也改变了力比,有利于防止用力过大而使另一翼失载。由于功率是力和速度的积,所以变速不会改变功率。通常可变速2到3倍。可以使用腰臀和脚蹬之间往复的滑轮组来变速,或者使用同轴大小轮(缠绕卷扬结构)来变速。

二、运动方式和力学关系
    无动力滑翔时,双脚的脚蹬互相平行,以控制上翼和下翼的弦线互相平行。用操纵杆控制身体悬挂重力线和支架平面之间的横滚角和俯仰角,以控制飞行姿态。此时两翼升力相等,平均分担静重力,经承重吊索、承重滑轮、支架、腰臀绑带吊住身体。如下图。
    驱动飞行只能在已经有一定前进速度下进行。
    驱动飞行的前半周期,第一脚的脚尖先蹬出,使上翼前缘低于后缘,紧接着(几乎同时)全脚掌蹬出,使上翼整体下降,在蹬力(加载力)的作用下形成重载下滑。上翼的低头下滑,经过承重滑轮放松了下翼的承重吊索,下翼在气动升力作用下相应地轻载抬头上滑,第二脚顺势蜷缩。
    如图所示。翼的下降运动和整体前飞运动合成为翼的下滑运动,下滑轨迹线的方向就是实际迎流方向,是攻角的起始边。而脚底板角度控制着翼弦线的角度,即攻角的终边。蹬腿速度和脚底板角度分别对应于迎流方向和弦线方向,需要协调配合好,保证两翼的攻角关系为:
        失速临界角>下滑翼攻角>等直滑翔攻角>上滑翼攻角>零升攻角
    这样,下滑翼的综合气动力(包括阻力)相对于整体运动方向而前倾,且值较大,而上滑翼的综合气动力后倾,且值较小,但垂直分量仍大于零。两翼气动力的垂直分量之和仍然可以和净重力相等,理论上可以保持载荷没有垂直颠簸。下滑翼综合气动力的前倾角度虽然会比上滑翼综合气动力的后倾角度小一点儿,但是值比它大得多,所以它们的水平分量之和仍然可以等于0而保持等速飞行,甚至大于0而加速飞行。
    驱动飞行的后半周期,和前半周期是换脚的同样运动,上翼轻载上滑、下翼重载下滑。见下图。

    这个原理是比较直观而容易理解的,就是滑翔原理,一个重载下滑和一个轻载上滑的结合。
    关键在于操作技巧,蹬速和蹬角的动态巧妙配合。角度不够时会蹬得很重甚至蹬不动,角度太大会蹬得很轻甚至自动跑了,角度合适时才有适当的蹬力负荷。角度控制参见静水中的人力滑水板,但本机构不需要动力承重,所以比它省力得多。

三、特点和效益
    这种差动变载扑翼,相当于把两架扑翼机反相位地复合在一起,把前半周期和后半周期之间的移时补偿,变成了两架扑翼机之间的共时补偿。
    具有以下特点和效益。
    1. 人体动力(腿)完全不承担静重力,只提供变载力和控制力。在操作准确的情况下,变载力能量转化为推进动能的效率,理论上可以超过90%。通常需要的变载力只是静重力的20~30%3倍变速后需要的蹬力就是静重力的60~90%
    也无需像单重扑翼那样用弹性器件来承担静重力,避免了调整弹性器件的麻烦和操作上的不易控制。
    2. 人体(主载荷)不需要为了变载力而垂直颠簸。两个机翼的变载力互相传递,可以不改变总拉力。既提高效率,又提高舒适度和任务条件(如摄影)。
    3. 较符合人体工程学要求。例如翼的高度变化和弦线角度变化的控制都耦合在蹬腿的那一只脚上,易于协调动作。两条腿轮换用力,符合肢体生物间歇性动作的特点。仍然用手控制整体的纵横姿态,和现有滑翔翼相同。
    4. 整体结构易于轻量化。
    从基本原理上说,也可以把两组角度运动的扑翼复合在一起。但是存在的问题是,第一,两翼垂直间距较小的时候,两翼之间的干扰较大;第二,翼需要扭转,展向越大则弦线角度变化也要越大;第三,承重结构会多一些,增加重量。

原理参见[size=18.6667px][原创]用经典力学定量解释巡航扑翼中国扑翼机官网  http://www.puyiji.com/dispbbs.as ... p;page=1&star=1
 楼主| 发表于 2019-5-5 16:46 | 显示全部楼层
本帖最后由 人力扑翼 于 2019-5-5 16:47 编辑

四、一些需要细化研究的具体问题
      1. 两翼的最小垂直间隔,防止下翼对上翼的干扰
    2. 翼的前后变速的影响
    3. 防止上翼吊索对下翼边缘的摩擦
    4. 翼的类型,软翼?硬翼?半硬翼?铝?碳纤维?
    5. 更多层翼,奇数为一组,偶数为另一组
    6. 尾翼的必要性,垂尾和平尾分别装在主翼和支架?
    7. 稳定性、机动性、安全性、效率、便携性、耐摔性等方面的平衡
    8. 悬挂、控制拉索和操纵杆三者的干涉,仰姿和俯姿
    9. 取消支架?
    10. 如何根据反馈力来操作?防止失速或失载
    11. 脚尖、脚跟和前缘、后缘的对应关系
    12. 悬挂变长的极限控制
    13. 无动力滑翔时的自平行能力及锁定机构
    14. 起飞方式和起飞辅助器材
    15. 试验方法,地面牵引滑跑和近水面试飞
    16. 带附加固定翼的初级训练机

 楼主| 发表于 2019-5-5 17:17 | 显示全部楼层
本帖最后由 人力扑翼 于 2019-5-5 17:33 编辑

      人力的可以考虑几种不同的方向:
      第一种,原理试验型。以体现原理为主。
      ——安全性高于效率。
      ——重复使用率高以便于反复试验。
      利用小号牵引风筝较为可行。可在翼下增加叉形支杆以减小俯仰时的翼伞变形,下翼支杆设滑孔以防上翼吊索摩擦。支架也可取消,把上下翼的刹车线连为一体穿过汇总索的滑孔,人操作汇总索。由于升阻比小,蹬的速度要快一些,角度要大一些,用力要多一些。只要能显著延长滑翔距离就行。
      第二种,极限效率型。用于和固定翼人力飞机比拼。不考虑重复使用,降低机动性要求。
      ——升阻比尽量大,如增大翼展和展弦比。
      ——采用上翻角和尾翼来提高稳定性。
      ——强度只满足飞行需要,不考虑落地抗损。
      第三种,“鸟飞人大赛”竞技型。介于以上两种之间。
      第四种,娱乐型。优先考虑安全性、耐用性,平衡效率和机动性。
      第五种,便携应急型。用于特殊任务下飞跃短距离障碍。
      ——尽量减少硬材料,甚至不考虑防摩损。
      ——不要求飞多远、多省力,效率可以差些,机动性也可以差些,但安全性要高些。
      ——翼展要小以适应较多起降场地,可用4层甚至更多层翼,风筝串。

      至于机器动力的,则可能有更多不同应用要求和设计方向。
发表于 2019-5-5 23:29 | 显示全部楼层
有点复杂,烧脑,还得好好消化一下
发表于 2019-5-5 23:32 | 显示全部楼层
有点复杂,烧脑,还得好好消化一下
发表于 2019-5-7 02:13 | 显示全部楼层
机翼整体上下扑动作为高升阻比滑翔翼的水平飞行驱动,在物理学上是合理可行的。前题是飞行器整体已经达到巡航速度,人力登踏提供的功率足够巡航功率。希望作者能提供基本的物理参数,才能为具体设计者提供指导。最后还是需要实践来验证。
  至于双层翼差动,比单层翼整体上下扑动到底有多少优势,(明显双层翼的升阻比远小于同面积倍翼展的单层翼)作者还没有给出令人信服的说明。
   无论如何,做此研究比证明无动力靠风力驱动可以超过数倍风速前进还是有意义些。共勉之!
 楼主| 发表于 2019-5-8 19:17 | 显示全部楼层
本帖最后由 人力扑翼 于 2019-5-8 19:18 编辑

      看来,没有了垂直加速度、人体起伏、弹性力等等,这个差动变载扑翼结构更容易被理解。不少朋友已经开始感悟到“小变载波状滑翔”原理的意思了。
      答有容乃大的问题:
      双层的优势文中讲了,一是不需要弹性装置,二是人体可以不上下起伏。
      至于升阻比等气动性能,只要两翼间距足够大,不是太大问题。
      单层翼需要用弹力索支撑主要体重,这使得脚蹬的反馈力变得复杂,估计比较难掌握。所以虽然结构简单、气动性能也能更好,但需要较高超的操作技术。双层差动没有弹性力,脚蹬反馈力直接明了。所以我觉得应该从双层翼开始体验。
      但是双层差动翼要注意某个翼失速(攻角过大)和失载(攻角为0或负值)问题。单层翼失速或失载时整个人感觉明显,而双层差动由于有另一个翼处于不同状态,所以只有脚蹬感觉明显,整个身体的感觉会较小。简单说,脚蹬太重时说明两翼攻角相差过大,其中正在上滑的翼有失载危险,正在下滑的翼有失速危险,要及时压脚尖。如果从很重的状态突然变轻,说明正在下滑的翼已经失速了,要立刻使双脚底板平行并停止蹬腿,以恢复滑翔状态。脚蹬太轻时说明两翼攻角相差太小,倒不会失速或失载,但变载力太小就缺乏前进推力,而且整机低头下沉。脚蹬自动跑的话,说明正在下滑的翼有失载危险了,要立刻蹬脚跟和另一只脚的脚尖。训练时脑子是反应不过来了,需要训练成“肌肉的记忆”,靠条件反射。
      风筝滑雪的道理有特殊意义。我正在写另一文来说明。搞科学不能太实用,求知欲第一,道理上的联系是很有意思的。
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