【簡介：】中國古代一些發(fā)明在力學(xué)原理上與現(xiàn)代航空航天有相同之處，如孔明燈之與熱氣球，風(fēng)箏之與滑翔機(jī)、固定翼飛機(jī)，煙花爆竹、火箭兵器之與航天火箭、導(dǎo)彈，竹蜻蜓之與直升機(jī)等等。我們今
中國古代一些發(fā)明在力學(xué)原理上與現(xiàn)代航空航天有相同之處，如孔明燈之與熱氣球，風(fēng)箏之與滑翔機(jī)、固定翼飛機(jī)，煙花爆竹、火箭兵器之與航天火箭、導(dǎo)彈，竹蜻蜓之與直升機(jī)等等。我們今天要談?wù)勚耱唑雅c直升機(jī)。
蜻蜓是一種常見的昆蟲，竹蜻蜓是指一種兒童玩具，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)能產(chǎn)生升力向上飛起，早期往往以竹片手工制成，現(xiàn)如今，塑料材質(zhì)的竹蜻蜓以易于規(guī)?；a(chǎn)、成本低廉而更常見。竹蜻蜓在國外稱為“Chinese top”或“Bamboo-copter”，被認(rèn)為是直升機(jī)的起源。
（a）蜻蜓 （b）竹制竹蜻蜓 （c）塑料制竹蜻蜓
竹蜻蜓的進(jìn)動(dòng)特性
首先強(qiáng)行科普一些飛行力學(xué)概念。我們通常將固定翼和旋翼葉片橫截面稱為翼型。翼型前緣與后緣的連線稱為翼弦。翼弦與旋翼旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角稱為槳距。翼弦與前方來流流線的夾角稱為迎角。
旋翼上的升力和阻力與旋翼的轉(zhuǎn)速和迎角有關(guān)。當(dāng)迎角過大時(shí)，旋翼表面大部分區(qū)域出現(xiàn)渦流，升力急劇降低，阻力急劇升高，此現(xiàn)象稱為失速。在不至于失速的前提下，迎角越大，升力越大，阻力也會(huì)越大。
竹蜻蜓的旋翼葉片要有正的迎角和足夠大的轉(zhuǎn)速才能產(chǎn)生足夠升力飛起來。我們將竹蜻蜓兩葉片的旋轉(zhuǎn)平面稱為旋翼槳盤，將作用在旋翼上的總空氣動(dòng)力沿旋翼槳盤法線方向的分量稱為拉力。
我們將竹蜻蜓手柄在下、拉力朝上的旋轉(zhuǎn)方式稱為正轉(zhuǎn)；手柄在下、拉力也朝下的旋轉(zhuǎn)方式為反轉(zhuǎn)。當(dāng)然，也可以采用手柄朝上、拉力也朝上的玩法，此時(shí)的竹蜻蜓是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的倒立擺，其穩(wěn)定性不如手柄在下、拉力朝上的情形。下面的分析只針對(duì)“正轉(zhuǎn)”情形展開。
若想讓竹蜻蜓朝其他方向飛行，就應(yīng)該使旋翼槳盤朝其他方向傾斜。傾斜并旋轉(zhuǎn)的竹蜻蜓，所受拉力也是傾斜的。拉力的豎直方向分量對(duì)抗重力，水平方向分量驅(qū)動(dòng)竹蜻蜓向前飛行，但這種前飛的趨勢不能一直維持，其飛行姿態(tài)以及飛行軌跡會(huì)產(chǎn)生大致如圖所示的變化趨勢。原因何在呢？
圖竹蜻蜓的飛行姿態(tài)變化及飛行軌跡
這要從槳葉的速度特征說起。（前方部分內(nèi)容較難，可選擇性跳過）
空氣在A點(diǎn)相對(duì)于槳葉的流動(dòng)速度與A點(diǎn)的絕對(duì)速度大小相等、方向相反；空氣在B點(diǎn)相對(duì)于槳葉的流動(dòng)速度與B點(diǎn)的絕對(duì)速度大小相等、方向相反。
中會(huì)產(chǎn)生向后傾倒的趨勢。竹蜻蜓自轉(zhuǎn)軸的進(jìn)動(dòng)特性以及相應(yīng)的拉力方向變化正是圖3所示的飛行姿態(tài)及飛行軌跡變化的原因。
當(dāng)竹蜻蜓手柄與豎直方向的夾角垂直且沿水平方向飛行時(shí)就沒有前行和后行槳葉的區(qū)別了。螺旋槳飛機(jī)的直線飛行狀態(tài)可以忽略陀螺的進(jìn)動(dòng)問題，此時(shí)的推進(jìn)螺旋槳就像一只巨大的竹蜻蜓拉著飛機(jī)朝前飛行，如圖所示；但是當(dāng)飛機(jī)快速轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)存在因快速改變螺旋槳（本質(zhì)是一高速陀螺）轉(zhuǎn)軸指向而出現(xiàn)較大陀螺力矩的問題，陀螺力矩通過轉(zhuǎn)軸傳遞給機(jī)身。
圖螺旋槳飛機(jī)（我國的初教六）
現(xiàn)代直升機(jī)旋翼系統(tǒng)：科技含量遠(yuǎn)高于竹蜻蜓
由于竹蜻蜓傾斜飛行時(shí)的進(jìn)動(dòng)特性，若直接將類似于竹蜻蜓的旋翼安裝在直升機(jī)上，直升機(jī)真的只能“直升”了，其前進(jìn)、后退以及側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制將難以有效實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的構(gòu)型種類繁多。最常見的是單旋翼、尾部側(cè)面布置小螺旋槳的直升機(jī)；還有多種雙旋翼直升機(jī)，比如共軸雙旋翼、縱列雙旋翼、橫列雙旋翼等。
總的來說，現(xiàn)代直升機(jī)旋翼系統(tǒng)既克服了不利的陀螺進(jìn)動(dòng)又利用了有利的陀螺進(jìn)動(dòng)特性。我們以單旋翼為例來談一談這個(gè)問題。
為了克服由于陀螺進(jìn)動(dòng)特性而引起的旋翼槳盤后倒問題，直升機(jī)旋翼系統(tǒng)采用揮舞鉸（亦稱水平鉸）應(yīng)對(duì)。
揮舞鉸允許直升機(jī)的槳葉上下?lián)]舞運(yùn)動(dòng)。直升機(jī)前行槳葉在拉力增大的情況下向上揮舞，向上的揮舞速度能降低前行槳葉的有效迎角而使拉力減??；后行槳葉在拉力減小的情況下向下?lián)]舞，向下的揮舞速度能增大后行槳葉的有效迎角而使拉力增大，這樣就能使前行區(qū)和后行區(qū)拉力趨于平均，進(jìn)而避免了能引起旋翼轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng)的側(cè)傾力矩的出現(xiàn)。這種揮舞稱為吹風(fēng)揮舞，此揮舞也能帶來旋翼槳盤的后倒，但這種后倒是有限值，完全不同于旋翼槳盤因進(jìn)動(dòng)而引起的持續(xù)后倒。槳葉的上下?lián)]舞運(yùn)動(dòng)受到因自身旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的慣性力矩的制約。為降低結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度、降低自重，吹風(fēng)揮舞可以通過槳葉自身的柔性或槳轂中的柔性部件來實(shí)現(xiàn)。
一般情況下，槳轂驅(qū)動(dòng)軸相對(duì)于機(jī)身的方位是不變的，直升機(jī)的前進(jìn)、后退以及側(cè)向運(yùn)動(dòng)通過旋翼槳葉的周期變距實(shí)現(xiàn)。周期變距通過自動(dòng)傾轉(zhuǎn)盤和變距鉸（亦稱軸向鉸）實(shí)現(xiàn)。
比如要實(shí)現(xiàn)前飛運(yùn)動(dòng)，就應(yīng)使旋翼槳盤前傾，提供指向前上方的拉力。在適當(dāng)相位周期性改變槳距能實(shí)現(xiàn)槳葉的周期揮舞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋翼槳盤的前傾，此種因變距引起的揮舞稱為變距揮舞。周期變距的目的是給旋翼槳盤施加主動(dòng)控制力矩，實(shí)現(xiàn)相位滯后的自轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋翼槳盤前傾。只要變距揮舞引起的前傾角度在數(shù)值上大于因吹風(fēng)揮舞而引起的后倒角，旋翼槳盤總體上就是前傾的，這樣就能實(shí)現(xiàn)前飛。
吹風(fēng)揮舞是一種被動(dòng)控制，變距揮舞則是主動(dòng)控制。兩種控制方法的共同目的是適時(shí)改變槳葉的有效迎角，進(jìn)而有效地改變槳葉上的氣動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)力控制。揮舞鉸和變距鉸的存在還會(huì)給旋翼系統(tǒng)帶來其他的動(dòng)力學(xué)問題以及相應(yīng)的解決方案。比如槳葉揮舞運(yùn)動(dòng)的空氣動(dòng)力學(xué)特性還導(dǎo)致了旋翼系統(tǒng)中擺振鉸（亦稱垂直鉸）的出現(xiàn)等。下圖列出了幾種直升機(jī)旋翼系統(tǒng)槳榖部分結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)圖，其復(fù)雜程度可見一斑。
除了根據(jù)蜻蜓做出了直升機(jī)以外，人類還有很多仿生技術(shù)。比如：根據(jù)蝙蝠做出雷達(dá)。根據(jù)螢火蟲做出人工冷光。根據(jù)許多強(qiáng)有力的動(dòng)物爪子而做出了起重機(jī)。根據(jù)長頸鹿的結(jié)構(gòu)而做出的宇航服。根據(jù)青蛙研制出電子蛙眼。利用龜殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出澳大利亞歌劇院。等等這些許多仿生技術(shù)。
