早在1979年，美國(guó)的麥克·克萊迪博士設(shè)計(jì)的“薄翼禿鷹”人力固定翼飛機(jī)就成功飛躍了英吉利海峽。而1980年美國(guó)直升機(jī)協(xié)會(huì)設(shè)立的人力驅(qū)動(dòng)旋翼機(jī)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，卻在過去的30多年里無人問鼎。此項(xiàng)比賽要求旋翼飛行器僅在人力驅(qū)動(dòng)下在離地3米的高度懸停至少60秒。人力直升機(jī)，即僅依靠人力提供飛行動(dòng)力和操縱的旋翼飛行器，為何它遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于人力固定翼飛機(jī)的發(fā)展，一個(gè)關(guān)鍵因素是固定翼飛機(jī)可以充分利用在前進(jìn)過程中流過機(jī)翼的大量空氣從而產(chǎn)生升力。直升機(jī)沒有固定雙翼，因此至少得提供比固定翼飛機(jī)多15倍的力量才能起飛，可見，在人力有限的情況下，后者獲得成功的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者。

人力直升機(jī)最新進(jìn)展

至今，只有三款人力直升機(jī)離開了地面。第一架是美國(guó)加州理工大學(xué)的師生們?cè)O(shè)計(jì)制造的達(dá)芬奇三號(hào)（LeonardoDa Vinci Ⅲ）。它的旋翼直徑達(dá)到了30米，有兩片槳葉，槳葉由位于槳尖的螺旋槳推動(dòng)。駕駛員通過腳蹬將動(dòng)力傳到絞車上，絞車通過繞在螺旋槳軸上的張線帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。在1989年的試飛中，達(dá)芬奇三號(hào)取得了離地20厘米、滯空8秒的成績(jī)。1994年，日本大學(xué)Akira Naito博士研制的百合花一號(hào)成為第二架成功飛起來的人力直升機(jī)。它有四個(gè)旋翼，每個(gè)旋翼帶有兩片槳葉，旋翼的直徑達(dá)10米。百合花一號(hào)的動(dòng)力也是通過腳蹬提供。百合花一號(hào)取得了離地51厘米、滯空20秒的成績(jī)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，人們對(duì)人力直升機(jī)的研究熱情不減。馬里蘭大學(xué)的一個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)為競(jìng)爭(zhēng)西科斯基獎(jiǎng)，研制出了Gamera系列（Gamera Ⅰ和Gamera Ⅱ）人力直升機(jī)。經(jīng)過不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，在今年6月份的試飛中，Gamera Ⅱ懸停時(shí)間達(dá)到了50秒。8月9日，GameraⅡ又創(chuàng)下了一個(gè)新的紀(jì)錄，懸停時(shí)間提升到了70秒，其中有4個(gè)人在地面協(xié)助控制飄移和偏航。

GameraⅡ保留了GameraⅠ成熟的四旋翼布局，總體布局及尺寸也和GameraⅠ一致。由于采用了新型材料和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，GameraⅡ重量比Gameral減少了33%（16千克），其中旋翼的重量減少了33%（10千克），機(jī)身重量減少了39%（5.7千克）。

先前的人力直升機(jī)一般只采用腳蹬驅(qū)動(dòng)，而Gamera的特色是除了采用腳蹬驅(qū)動(dòng)外，還增加了手柄驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，增加手柄驅(qū)動(dòng)確實(shí)提高了功率輸出。在最初的60秒時(shí)間里，手柄驅(qū)動(dòng)使輸出功率提高了20%。然而隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，手柄驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)有所減少。當(dāng)駕駛員進(jìn)入有氧運(yùn)動(dòng)階段時(shí)，為了長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定輸出動(dòng)力，就需要降低功率輸出。

Gameta系列的性能

旋翼槳葉

GameraⅡ采用的是矩形、無扭轉(zhuǎn)槳葉，而GameraⅠ選擇了錐形無扭轉(zhuǎn)槳葉。地面效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表明，不論是正扭轉(zhuǎn)、負(fù)扭轉(zhuǎn)，還是無扭轉(zhuǎn)槳葉，在同一高度下地面效應(yīng)都表現(xiàn)相同，只有錐形槳葉性能有所提升。

Gamera貼地飛行時(shí)，槳葉揮舞彎曲變形很大，而且旋翼性能對(duì)高度變化非常敏感。Gamera團(tuán)隊(duì)建立的基于葉素動(dòng)量理論的旋翼模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)每個(gè)葉素的結(jié)構(gòu)彈性變形（撓度）和每個(gè)葉素的地面效應(yīng)，而不是靠槳轂的高度來估算。這種建模方法成為了GameraⅡ旋翼系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的核心。

GameraⅡ空機(jī)重量的大部分（55%）來自旋翼。槳葉主要承力構(gòu)件——翼梁大約占槳葉重量的一半，前緣和后緣結(jié)構(gòu)占了另外一半。

GameraⅡ槳葉結(jié)構(gòu)的核心——翼梁，采用了三角桁架結(jié)構(gòu)，而不是傳統(tǒng)的管梁、D型梁或者工字梁。三角桁架主梁帽為碳纖維管。桁架單元通過碳纖維連接網(wǎng)纏繞在一起，這樣不僅降低了制作難度，還使其抗剪性能最優(yōu)。塑料泡沫條放置在連接網(wǎng)里面承受壓力，這種夾層結(jié)構(gòu)同時(shí)可以抵抗局部翹曲。塑料泡沫增重很少，但極大地增強(qiáng)了翼梁整體強(qiáng)度。

GameraⅠ的翼梁沿展向質(zhì)量均勻分布，而GameraⅡ輕型翼梁則是從槳根到槳尖逐步減小碳纖維管的直徑，這使翼梁重量減少了19%，槳尖變形保持原來的水平。

連接網(wǎng)比主梁帽重，約占主梁重量的明%。GameraⅡ主梁連接網(wǎng)采用24K網(wǎng)狀碳纖維束，重量比GameraⅠ使用的兩層50K網(wǎng)狀碳纖維束減少約45%。有限元計(jì)算分析表明，減重對(duì)于槳尖撓度變化影響很小，而且由于加固泡沫條的使用，在設(shè)計(jì)載荷下沒有局部翹曲。這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，使GameraⅡ主梁的重量減輕了30%。

Gamera Ⅰ槳葉前緣是熱切割粉色擠塑聚苯乙烯（XPS-extrudedpolystyrene）形成的一個(gè)整體式殼體結(jié)構(gòu)。它的特點(diǎn)是聯(lián)接點(diǎn)少，加工時(shí)間短，而且由于少用粘結(jié)劑而降低了重量，并且保證了翼型的精度。為了減重，GameraⅡ選擇了密度比XPS小40%的白色聚苯乙烯泡沫（EPS-expanded polystyrene），整體殼體切割得更薄，重量降低了45%左右。懸停試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)EPS結(jié)構(gòu)的槳葉由于孔隙和表面粗糙度較高導(dǎo)致功耗增大。為了使其表面密封和平滑，前緣添加了一種類似后緣蒙皮的單層聚酯薄膜。隨后的測(cè)試表明，功耗降到與Gamera Ⅰ同一個(gè)水平。即使增加了聚酯薄膜重量，使用EPS材料減重效果依然明顯。

Gamera Ⅰ槳葉的后緣由輕質(zhì)泡沫翼肋、輕木楔形后緣和聚酯薄膜蒙皮構(gòu)成。有設(shè)計(jì)方案試圖將輕木楔形后緣更換為類似前緣采用的泡沫薄壁結(jié)構(gòu)那樣。但研究數(shù)據(jù)表明，Gamera Ⅰ的設(shè)計(jì)是最輕的。

Gamera Ⅱ機(jī)身的主骨是一副巨大的十字形桁架，2根橫梁相交，從中心到每個(gè)頂端的距離為18.3米，主要以泡沫塑料、聚酯薄膜以及碳纖維等制成。Gamera團(tuán)隊(duì)沿用了槳葉主梁的設(shè)計(jì)思想，采用基于遺傳算法的優(yōu)化程序，研發(fā)了一種微桁架結(jié)構(gòu)的機(jī)身桁架，克服了Gamera Ⅰ機(jī)身結(jié)構(gòu)靜載變形大、承載能力不足的缺點(diǎn)，而且重量輕、屈服強(qiáng)度高。另外，Gamera團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了一種“輕型”微桁架，甚至可以取代最輕的碳纖維管。機(jī)身根部及桁架臂主梁上端主要采用“重型”微桁架，其他部分采用輕型微桁架。試驗(yàn)結(jié)果表明，與線密度最小的碳纖維管相比，微桁架的屈服強(qiáng)度提高了將近620%，重量（5.7千克）比Gamera Ⅰ輕了39%，比沒有使用微桁架結(jié)構(gòu)的Gamera Ⅰ原型機(jī)機(jī)身輕了近一半，減重效果明顯。

傳動(dòng)系統(tǒng)

Gamera Ⅱ沿用Gamera Ⅰ的絞盤驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，通過滾卷四條高強(qiáng)度細(xì)繩將功率從座艙輸出到各組旋翼。一條足夠長(zhǎng)（懸停60秒大約需要150米長(zhǎng)）的細(xì)繩纏繞在滑輪上，滑輪固定在旋翼軸上。駕駛員手柄運(yùn)動(dòng)通過一個(gè)同步鏈，與腳踏板轉(zhuǎn)輪相連，將轉(zhuǎn)矩通過拉動(dòng)細(xì)繩傳遞到四組旋翼。細(xì)繩通過一系列輕型重定向滑輪從機(jī)身進(jìn)入座艙。這種傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減重效果顯著。

Gamera Ⅱ的傳動(dòng)系統(tǒng)增加了飛輪。因?yàn)閱蜗騻鲃?dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)影響駕駛員保持恒定轉(zhuǎn)速，而且傳動(dòng)線系以及座艙結(jié)構(gòu)的彈性變形也會(huì)加劇駕駛員腳踏運(yùn)動(dòng)的脈沖效應(yīng)，引起手柄及腳踏板的不協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，浪費(fèi)部分能量。飛輪能夠提供足夠的慣性，緩和駕駛員運(yùn)動(dòng)使其高效率輸出，增加輸出到旋翼的功率，但是卻使重量增加了500克。

Gamera Ⅰ為了在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)懸停，腳蹬轉(zhuǎn)速設(shè)置為120RPM，這樣輸出功率最大。Gamera Ⅱ則采用了90RPM的轉(zhuǎn)速，這樣適合更長(zhǎng)時(shí)間的懸停。

座艙

Gamera Ⅱ座艙采用自定義尺寸裝置，可以調(diào)整座艙大小，以適應(yīng)不同的駕駛員。除了舒適性要求，座艙還要足夠結(jié)實(shí)，確保能輸出和傳遞最大功率。座艙的主要承力結(jié)構(gòu)采用了纖維纏繞概念的三維桁架，不僅重量輕，更為關(guān)鍵的是這種結(jié)構(gòu)使駕駛員與手柄、腳踏板之間獲得剛性連接，克服了Gamera Ⅰ手柄、腳踏板與座艙連接處彈性變形容易導(dǎo)致手柄和腳踏板鏈輪錯(cuò)位的缺陷。座艙其他的三維桁架將傳動(dòng)系統(tǒng)同駕駛員座椅和機(jī)身連接在了一起。另外，座艙通過三個(gè)u形緊固件與機(jī)身連接，方便拆卸和運(yùn)輸。

手柄采用全新的多態(tài)軸胎，外形復(fù)雜，制造成本低，舒適性好，而且每個(gè)碳纖維手柄只有16克重，已經(jīng)成功地在GameraⅠ上得到了應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

GameraⅡ的成功飛行將人力直升機(jī)的飛行記錄提高了一大步，這無疑是振奮人心的，但要實(shí)現(xiàn)像人力固定翼飛機(jī)那樣長(zhǎng)時(shí)間飛行，還有很長(zhǎng)的路要走。人力直升機(jī)成功的瓶頸在于非常有限的可用功率，也就是人的體能。目前來看，解決人力直升機(jī)飛行時(shí)間問題的主要途徑是減輕飛行器的重量。這就要依賴于在材料和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的突破性技術(shù)進(jìn)展。同時(shí)，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用也將會(huì)對(duì)其他工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響。另外，也可以從提高人體體能使用效率、旋翼效率以及傳動(dòng)效率等方面考慮，研究新型機(jī)構(gòu)、采用工業(yè)部門先進(jìn)旋翼技術(shù)、開發(fā)新構(gòu)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在航空技術(shù)史上，有很多曾經(jīng)被認(rèn)為是不可能的甚至如天方夜譚般的設(shè)想最后都被人類實(shí)現(xiàn)了。人力直升機(jī)也許也是這許多不可能之中的一個(gè)吧。