扑翼机介绍
作者:管理员    发布于:2014-04-25 11:07:29    文字:【】【】【
中文名称:扑翼机
英文名称:ornithopter
定义:机翼像鸟翼作上下扑动飞行的航空器。
应用学科:航空科技(一级学科);航空器(二级学科)

     扑翼机 ornithopter 机翼能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于空气的航空器。又称振翼机。扑动的机翼不仅产生升力,还产生向前的推动力。中国春秋时期就有人试图制造能飞的木鸟。15世纪意大利的达·芬奇绘制过扑翼机的草图。 1930年,一架意大利的扑翼机模型进行过试飞。此后出现过多种扑翼机的设计方案,但由于控制技术、材料和结构方面的问题一直未能解决,扑翼机仍停留在模型制作和设想阶段。

扑翼机的设想

     扑翼机,就是一种能像鸟那样搧动翅膀飞行的机器。不过,现代人设计的扑翼机翅膀是用各种合成材料做的,古代人的扑翼机“机翼”却是用地道的鸟禽羽毛做的,而“机身”却是活生生的人。

     不知道大家注意到没有,在我们的周围,常存在着一些飞来飞去的小生灵。你看那轻盈的小燕子,时而俯冲大地;时而立定盘旋;时而直上蓝天,飞得多么自由自在啊!我们为什么不能也长一对翅膀或者做一对翅膀飞翔呢?想得真好。在遥远的古代,我们的祖先就想到了要制造像鸟一样飞的机器,帮助人们实现展翅飞翔的梦想,这其实也是现代扑翼机和滑翔机诞生的基础。

      1250年罗杰·培根记述扑翼机的设想,15世纪达·芬奇作出具体设计,但一直未获成功

     人类在尝试飞行的初期,一直是很直观地模仿鸟类,用各种鸟羽或其他人造物,制成翅膀,“安装”在人的身上。在经历了许多失败之后,人类逐渐认识到单纯的利用羽翅是不能飞行的。于是开始寻找一种机械的方式。扑翼机就是这个阶段的产物。最早的扑翼机也许就是英国的修道士罗杰·培根在1250年发表的《工艺和自然的奥秘》一文中所记述的:“供飞行用的机器,上坐一人,靠驱动器械使人造翅膀上下扑打空气,尽可能地模仿鸟的动作飞行。”15世纪初,意大利的达·芬奇是欧洲文艺复兴时斯的文艺、科学巨擘。他对飞行抱有热忱,他也是研究扑翼机的著名人物。他的具体设想为,人俯卧在扑翼机中部,脚蹬后顶板,手扳前部装有鸟羽的横杵,就像划桨一样扇动空气,推动飞行。这个方案是达·芬奇研究了鸟翅,利用物理和解剖知识而设想出来的。扑翼机和带翼飞人相比是种进步,然而在本质上仍是仿鸟的人力飞行。这种影响一直延伸至飞机发明前夕。

制造扑翼机

     自达·芬奇之后,有个土耳其人穿了一件宽大的带框架的斗篷,利用扑翼原理飞行,不料框架经受不住空气阻力而折断,这位土耳其人不幸遇难。1678年,法国有个叫贝尼埃的锁匠也制了一架扑翼机。他在肩上担两根杆子,杆端各装一对铰接的长方翼片。杆端向上摆动,翼片收拢,向下摆动,翼片展开。通过多次实验,贝尼埃始终未能成功。1742年,62岁的巴凯维尔用四个翼形机构绑缚在自己四肢上,从巴黎旅馆屋顶上奋身一跃,企图飞越塞纳河。但他飞了一半便坠河撞在船上,摔断了腿。

     扑翼机的设想由来已久。在我国西汉时期,曾经有人用大鸟的羽毛制做了两个特大翅膀,然后这人搧动着翅膀从高楼飞下。他只飞了几百步远,虽然没有成功,却是一种可贵的尝试。也不知道是多少年后,在英国、阿拉伯、土耳其也有人做过类似的试验。不过,这几个人并不都是那么幸运。据说,除了一个士耳其人飞行了好几公里远外,另外的人要么摔断了腿,要么坠地而死,酿成了悲剧。

     到了15世纪,意大利的天才设计家达·芬奇设计了一种像鸟一样扑翼的机械,此机械装有翅膀,能用脚来进行扑动。这兴许是现代扑翼机的前身。

     1930年,一架意大利的扑翼机模型进行过试飞,它重约22.7公斤,装有一台0.37千瓦(0.5马力)的发动机。扑翼机的设计方案中,有的形如蝙蝠,具有薄膜似的扑动翼面;有的装有带缝隙和活门的扑动翼,具有类似飞鸟翅膀的作用。鸟类和昆虫的飞行表明,扑翼机在低速飞行时所需的功率比普通飞机小得多,并且具有优异的垂直起落能力。但是要真正实现像鸟类翅膀那样的复杂运动或是像蜻蜓和其他昆虫翅膀那样的高频扑扇运动则非常困难。设计扑翼机所遇到的控制技术、材料和结构方面的问题一直未能解决。扑翼机仍停留在模型制作和设想阶段。尽管如此,仍有不少科学家、工程师和业余爱好者致力于扑翼机的研究工作。

扑翼机的难题

     但是到目前为止,实用的扑翼机并没有真正制造出来。这是为什么呢?其实不要说扑翼机、飞机,就是人真的像童话里描述的那样插上翅膀,也不一定能飞。达·芬奇曾从飞禽的解剖中发现:鸟的臂肌相当有力,而人的臂肌却显得太“苍白无力”了。再说,人即使能像鸟那么快地搧动翅膀,他的血液供应也不够。换句话说,人的心脏跳动和代谢功能赶不上鸟。有统计表明,人即使装上一副约 10斤重的翅膀,它所发挥的功用,还不到小小鸽子的1/10~1/4。——看来,人真是天生不会飞的。扑翼机兴许只是一种设想,虽然我们现在有好多的设计图,但要想真正变成现实,还要我们不断地努力。

扑翼机的启发

     有趣的是,无意插柳柳成荫,扑翼机没有产生,人们用人力作扑翼飞行试验时,却派生了另外一种飞行器——滑翔机

现代扑翼机

     随着现代材料、动力、加工技术,特别是微机电技术(MEMS)的进步,已经能够制造出接近实用的扑翼飞行器。这些飞行器从原理上可以分为仿鸟扑翼和仿昆虫扑翼,以微小型无人扑翼为主,也有大型载人扑翼机试飞。仿鸟扑翼的扑动频率低,翼面积大,类似鸟类飞行,制造相对容易;仿昆虫扑翼扑动频率高,翼面积小,制造难度高,但可以方便的实现悬停。

     现代扑翼虽然已经能够实现较好的飞行与控制,但距实用仍有一定差距,在近期内仍无法广泛应用,只能用在一些有特殊要求的任务中,例如城市反恐中的狭小空间侦查。现代扑翼的需要解决的主要问题是气动效率低、动力及机构要求高、材料要求高、有效载荷小。 以气动问题为例,微小型扑翼属于低雷诺数、非定常过程,目前仍无法完全了解扑翼扑动过程中的流动模型和准确气动力变化,也没有完善的分析方法可以用于扑翼气动力计算,相关研究主要依赖试验。

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