“太阳神”欲夺人力直生机竞赛奖

盘　石

1997年6月，在美国马里兰州贝塞斯达举行的第五届国际潜艇竞赛上，加拿大魁北克省蒙特利尔高等技术学校一个研制小组制造的“奥默3”人力潜艇，创造了一项世界速度纪录，并夺得冠军。这艘人力潜艇由弗朗科斯.梅索内夫驾驶，10米航程内速度为12.929公里/小时，100米航程内速度为12.138公里/小时。“奥默3”和“奥默2”人力潜艇，是该研制小组几乎花了3年时间设计和制造出来的。这种人力潜艇采用了先进复合材料船体和高级可变桨距螺旋桨。它的成功，为当时人力潜水器界所倾倒。

现在，该研制小组，正致力于设计和制造人力直升机，试图赢得在20年前就设立的西科斯基人力直升机竞赛奖。他们设计的人力直升机，目前正在蒙特利尔闹市区一家废弃的啤酒厂内制造。这种人力直升机名为“太阳神”（Helios），它取自希腊神话故事中的人物，他是从海洋深处升起而成为太阳神的。这个名字的喻意是：研制小组将从人力潜艇竞赛冠军变成人力直升机竞赛冠军。

瞄准竞赛奖

西科斯基人力直升机竞赛的宗旨，与历史上有名的克雷默人力飞机竞赛奖相类似。克雷默奖是1959年设立的，旨在推进人力飞机的研制。这个奖项的设立，促成了“蝉翼秃鹰”和“蝉翼信天翁”人力飞机在70年代和80年代非常成功的飞行。西科斯基人力直升机竞赛奖，由美国直升机学会于1980年设立。该学会将向首次能用人力持久飞行的可操纵人力悬停飞行器的成功者，颁发2万美元奖金。竞赛规则规定，由一个人或多个人提供动力的重于空气的直升机，“持久悬停”飞行时间，须达到60秒钟，离地的最小飞行高度必须短时达到3米，还必须始终保持在10米见方的区域内飞行。另外，至少应有一名机组人员在飞行中不随直升机转动，也就是说，直升机上有一部分结构在飞行中不应该转动。

自人力直升机竞赛奖设立至今20年中，还没有人获得过这个奖项，这足以说明人力直升机在人的体力与工程技术两方面所具有的挑战性。据美国直升机学会人力直升机协调人罗伯特·索菲说，为参加此项竞赛，世界上已制造出17架人力直升机，但其中只有2架飞行过。第一架是“达芬奇Ⅲ”，它是在80年代末期由美国圣路易斯奥比斯波的加利福尼亚波利技术大学制造的。在1989年12月的飞行中，它只离地悬停了7.1秒钟。第二架是“由利Ⅰ”，它是在90年代初由日本大学由东内藤教授指导的一个小组制造的。“由利Ⅰ”于1994年3月飞行，创造了飞行时间19.46秒的正式世界纪录，离地高度只有0.2米。在后来的飞行中，它创造了飞行时间24秒，离地高度0.7米的非正式纪录。

由东内藤教授德高望重，是一位人力直升机设计和制造者，现已退休。他曾负责设计与制造了5架人力直升机，第五架就是“由利Ⅰ”。他仍在为制造第六架人力直升机工作，名为“由利Ⅱ”。自“由利Ⅰ”人力直升机飞行两次以后，人力直升机实际上没有取得什么进展，所以西科斯基人力直升机竞赛奖仍然“高悬在空中”。

然而，有迹象表明，人们不久将向人力直升机竞赛奖发起新的一轮冲击。几种人力直升机目前正在设计或处于刚开始制造阶段。这些人力直升机是：由东内藤的“由利Ⅱ”；由康涅狄格州费尔柴尔德公司的约翰·诺比尔制造的人力直升机；名为“凤凰”的人力直升机，它正由安阿伯密歇根大学丹·帕特领导的一个小组研制。“太阳神”人力直升机自1998年1月以来，一直在精心设计和制造，是最近冲击人力直升机竞赛奖的主力和尖兵。

学生研制小组

“太阳神”人力直升机计划于1998年初开始实施。研制小组由15名研究生和本科生组成，另有几名毕业研究生参加工作。其核心成员有：组长西蒙·琼卡斯，机械组组长亚历克西斯·米肖，电气组组长克里斯琴·贝留，计算机辅助设计与制造专家和有限元分析家丹尼尔·科特，电子设计专家琼弗朗科斯·博兰和复合材料专家塞奇·鲁斯特。他们都是研制“奥默”人力潜艇的老成员。与他们一起工作的，还有一些在机械与电子设计、金属加工和复合材料制造方面有经验的专业学生。

魁北克省高等技术学校对人力直升机计划提供了大量支持，包括基础设施、经费和材料。除了高等技术学校提供的支持以外，学生们还努力寻找工业界对计划给予支持，并取得了明显的成效。这一方面是因为此项计划很有意义，另一方面也因为该小组在“奥默”人力潜艇研制中的出色表现所产生的影响。工业界支持该计划的有：贝尔直升机公司、庞巴迪公司、卡纳达尔公司、普惠公司、3M公司、杜邦公司和航空技术高级材料公司。迄今为止，此项计划是该高等技术学校由学生经营的最大计划，奖金约达10万美元。

总体设计的思考

“达芬奇Ⅲ”和“由利Ⅰ”代表了人力直升机的两种不同的设计思路，“太阳神”则是第三种思路。但它们也有共同的特点，即它们都是由单人驾驶、重量极轻和最大限度地利用了地面效应。其主要区别是：对人力直升机的转动控制采用了不同的解决方法。此外，在制造方法和材料使用上也有所不同。

波利技术大学的“达芬奇Ⅲ”人力直升机，旋翼直径30米，有2片桨叶，由桨尖螺旋桨驱动旋转。旋翼桨叶采用梁与肋结构，由碳纤维和泡沫塑料芯外包聚酯薄膜蒙皮制成。机体重量43.55公斤。“达芬奇Ⅲ”在首次飞行时，由于复杂驱动机构中的摩擦作用，致使它在飞行离地后出现了残余转动，造成一片桨叶损坏，飞行只持续了7秒钟。

由东内藤教授的“由利Ⅰ”采用了4副直径为10米的双桨叶旋翼，飞行中2副顺时针方向旋转，另2副反时针方向旋转。支持旋翼和飞行员的机体结构则由碳纤维和铝合金管材制做。全机重量仅38.56公斤。“由利Ⅰ”很容易飞起来，稳定性极好，但操纵困难。该机离地后，由于4副旋翼旋转综合形成的气流的影响，直升机会以不可改变的方式作横向漂移。这次飞行不是因飞行员的疲劳而结束，而是因直升机横向漂移与场地围墙相撞而结束。

“达芬奇Ⅲ”和“由利Ⅰ”由于驱动机构太复杂，摩擦消耗功率较多，所以无法上升到脱离地面效应的高度。对于这些已飞行了的和其它不成功的人力直升机设计，特别是由东内藤在研制初期的双旋翼设计，“太阳神”研制小组都进行了仔细研究，并得出了两个重要结论。第一，简单的高效率的驱动机构是制造可飞行人力直升机的主要准则；第二，应最大限度地减少人力直升机的非气动力结构。据此，他们认为，类似由东内藤在研制初期的双旋翼人力直升机设计最有希望成功。

最初设计的人力直升机，失败原因几乎都是由两副旋翼的空气动力相互干扰造成的，因为它们之间的间距太小。“太阳神”研制小组认为，如果把一副旋翼置于乘坐飞行员的机体之上，另一副置于机体之下，这样两副旋翼之间的垂直距离就足够大，也就能够解决旋翼气动力相互干扰的问题了。不仅如此，这种布局还能使一副旋翼处于地面效应之中。由于在飞行中旋翼处在地面效应之中效率最高，所以这对人力直升机来说是非常可贵的。

人力直升机飞行需要解决的主要问题，是应尽量减小飞行所需的动力。从人力飞行的早期开始，生理学家就指出，一个训练有素身强力壮的人，最大输出功率不到2马力。“太阳神”研制小组的试飞员再次证实了这个事实。而且，人们只能在很短的时间内保持这个体能水平。在1分钟之内，一个身强力壮的人平均只能发出约1马力（约750瓦特）的功率。1分钟是西科斯基人力直升机竞赛奖规定的飞行留空时间，这是一个很难达到的目标。

当然，也可以设计一种由多人组提供动力的人力直升机。“太阳神”研制小组也进行过这方面的试验，但出人意料的是，试验表明，由多人组输出的功率，比由每个人输出的功率之和还要少15％左右。这是由于在多人组提供动力的情况下，每个人不能使他们的动作完全同步一致造成的。

虽然理论分析表明较大的旋翼能够产生较大的升力，但由于较大旋翼必然会带来较多的结构重量，加上多人组飞行员的身体重量，就会使直升机全机的重量增加，再加上15％功率输出损失，这些因素就会使多人组人力直升机的优点显现不出来。

至于“太阳神”人力直升机的几何尺寸大小，该研制小组经研究分析认为：从空气动力学观点来看，理想的人力直升机虽然旋翼直径越大越好，而且飞行中应作慢速旋转，但从机械工程的观点来看，旋翼结构越大，机体也越大，重量就越重，也越难制造。所以，应将二者结合起来考虑，让人力直升机的大小有一个最佳的折衷方案。当然还必须考虑到人力在1分钟内只能发出1马力功率的限制因素。他们的结论是：对于双旋翼人力直升机，旋翼直径为30米左右时，升力重量比的数值最高。

“太阳神”人力直升机

“奥默”人力潜艇的成功技术，也被用到了“太阳神”人力直升机的方案设计中。其成功技术主要体现在螺旋桨和驱动机构上。螺旋桨叶片采用了经典的沃特曼翼型，为尖削形扭转桨叶。最重要的是，艇上装有由微处理机控制的、与转速相适应的可变桨距系统。此外，“太阳神”还借鉴了“奥默3”潜艇艇体使用高强度、重量轻的蒙皮材料的经验，即使用芬纶蜂窝芯和碳凯芙拉/树脂材料的经验，以及这种材料的制作经验。而且，旋翼仍然采用了具有梁肋结构的大展弦比长桨叶。梁肋结构自“蝉翼秃鹰”和“蝉翼信天翁”人力飞机飞行以来，一直是人力飞行器的相关部件，如机翼、旋翼桨叶所采用的标准结构。这种结构不仅制造非常简单，损坏后好修理，而且制造后要修改也比较容易。

这种结构的旋翼桨叶虽然抗弯强度高，但抗扭性能差，外部需要用线绳拉挂才能保持必要的扭转形状。“太阳神”的桨叶又长又薄，如何保持扭转形状十分关键，为此，研制小组为桨叶选择了承力蒙皮。这样，桨叶的弯曲载荷和扭转载荷就由桨叶内部的主要结构件和蒙皮共同承受，可较好地保持所需的扭转形状。“太阳神”直升机上下两副旋翼的4片桨叶均由具有强度重量比高的碳纤维/树脂预浸材料制造。

“太阳神”人力直升机装两副反向旋转的双桨叶旋翼，旋翼直径30米，一副在上，一副在下，之间为飞行员乘坐结构。桨叶由低密度泡沫塑料和高强度碳纤维制成，容易保证所需要的翼型和平面形状。操纵系统与常规直升机的可变桨距旋翼操纵系统相似。整机目标重量为54.43公斤。

1998年下半年和1999年初，研制小组论证了机械设计的各个方面，全面完成了旋翼桨叶的气动力设计。在设计过程中，小组成员西蒙·琼卡斯和克里斯琴·贝留编写了软件，以预测桨叶在有地效和无地效条件下的性能。在计算机实验室里，琼卡斯和贝留花了几个月的时间，用这个软件对旋翼桨叶进行了大量的选型试验，共试验了约300万种桨叶形状。他们得出的结论是，旋翼桨叶采用“代达罗斯”31翼型、在转速为每分钟7转时，桨叶长度为17.5米是最佳的。

“代达罗斯”翼型系列，是由麻省理工学院的马克·德雷拉博士专门为人力飞行器设计的。这些翼型曾用在保持世界纪录的“代达罗斯”人力飞机和“由利Ⅰ”人力直升机上。

“太阳神”人力直升机桨叶有大的尖削比（0.1）和扭转角（10度），每片桨叶重约10公斤，但上下旋翼桨叶稍有不同。

根据在计算机上的模拟计算，“太阳神”在离地3米高度上飞行时，所需的总功率约为0.8马力。据此可以预料，“太阳神”人力直升机如果不能夺取西科斯基竞赛奖，至少也能飞行。

研制小组用有限元分析软件计算了桨叶结构的应力和极限强度，而且，对所有关键构件都用这种软件进行过验算，其目的是使每个构件的强度只是刚刚达到要求，以尽可能地减轻机体的结构重量。

桨叶内部结构由低密度的道·克拉梅XL泡沫塑料翼型段组成。翼型段利用热线切割工具和一套福密卡胶木模板加工而成，它是用手工把实心泡沫塑料块切割而成的，几乎是具有复杂形状的空心结构。每片桨叶有22块泡沫塑料翼型段，它们是在玻璃纤维模具中与蒙皮材料进行组装的。

桨叶的蒙皮是用聚酯薄膜和无方向碳纤维预浸材料制做的，质量为每平方米100克，树脂含量33％。这种材料的强度每平方厘米足以承受44996公斤的拉力。

桨叶中心结构件是横切面大致为矩形的碳纤维管梁。旋翼轴是直径为10厘米稍带尖削形状的碳纤维管，它有连接桨叶和机体的作用。桨距由一套轴承、齿轮和小电机操纵。

在用碳纤维预浸材料制造桨叶之前，首先必须制成一套成型模具。1999年整个春季，研制小组制造了4套18米长的玻璃纤维模具和其它工具。制做模具时，先用石膏坯成形，再利用铝模板将石膏坯打磨成要求的形状，这就是阳模。然后，利用石膏阳模再做成用于成形碳纤维和泡沫塑料桨叶的玻璃纤维模具。

在制做桨叶时，先须将预浸材料切割成所要求的形状，并把它铺设在玻璃纤维模具中，然后加热到摄氏80度，并保持4至5小时使作为粘接剂的环氧树脂固化。第一片桨叶的制做比预期的困难，不过，在制做技术熟练以后，大约2个星期就能做出一片桨叶来。

桨叶制做中遇到的两大问题是，所用的制造材料的热膨胀特性不同和成形以后会变形。因为碳纤维、树脂、泡沫塑料、聚酯薄膜和长度很长的模具，在固化过程中加热到摄氏80度时的膨胀量都不一样，例如，模具在摄氏80度时比在室温时膨胀2.54厘米。成形后的大长度复合材料结构桨叶，由于有很大的内应力，所以会使其变形和变薄。这个问题在那些小尺寸试验件上表现得并不明显。“太阳神”研制小组就这个问题请教了西雅图“渡鸦”人力飞机的研制人员，因为这种飞机使用的复合材料与“太阳神”的类似，从而比较好地得到了解决。

对“太阳神”计划来说，1999年12月6日是一个重要的日子。这天，研制小组和高等技术学校约有40人，目睹了打开桨叶模具取出第一片完整的全固化桨叶的情景。

虽然这第一片桨叶有些缺陷，但原来就没有打算用于飞行。一个星期后，它在加载试验中直到被破坏，之后它又被锯开，检查其结构的完整性，结果是令人鼓舞的。这个研制小组准备再制造7片桨叶，并将其中最好的4片用于飞行。

研制小组中的机械组将完成机体和传动装置设计，另有一个组则负责完成试验桨叶用的全仪表旋翼试验台的设计。该旋翼试验台将在0.3至3米高度上试验桨叶，并将搜集随攻角变化的功率消耗、总升力和扭矩数据。这些数据对于控制直升机高度、旋翼转速和研制桨距控制系统，是十分重要的。

按计划，2000年末，“太阳神”人力直升机将在蒙特利尔奥林匹克体育场，为夺取西科斯基人力直升机竞赛奖而飞行。