[科普中国]-扑翼机

发展历程

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？这是一个人再合适不过的想法。因此，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。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。”

然后到了15世纪初，世界上第一架按技术规程设计的扑翼机的图纸出现。该方案由达·芬奇设计，这位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。他的图纸和草稿至今仍完好的保存在博物馆内。

接着过了300多年，1878年英国伦敦博览会上首次展示了两架扑翼机。当时考夫曼设计的带有蒸汽机的扑翼机方案引起了人们的极大兴趣；英国人哈尔格莱夫制成了一架带有发动机的扑翼机实用模型；德国人李林塔尔研制的扑翼机上装了一台小型发动机，为人力提供辅助力量；他们的理论和实践成为扑翼机发展史上重要的里程碑。

20世纪初，人类终于解决了动力问题：莱特兄弟的飞机飞上了天空。在不断完善的基础上，飞机的种类越来越多，人类航空事业迅猛发展。然而，扑翼机的研究却因种种原因一直踏步不前，这使得全世界众多的扑翼机爱好者焦虑不安。俄罗斯的科学家和设计师们在这一领域取得了重大突破。1913年，M.斯穆尔诺夫制成了一架带电动机驱动装置的扑翼机；此后，伊林和希乌科夫也造出来类似的飞行器。到30年代，又有众多的扑翼机飞行爱好者加入了这一领域的探索。人们这种积极性不无原因，因为当时现有的飞行器还不能算作理想的飞行器。扑翼机若获得成功，它便具有当时一些飞行器所不具备的优点：如原地或小场地起飞；极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉等。2

随着现代电子计算机、新型复合材料、控制技术等高科技领域的迅速发展，研制扑翼机也有了新的基础。加拿大多伦多大学航空研究院的詹姆斯.德劳里埃教授经过30年的研究，与1996年设计出一架载人扑翼机，取名“大鸭掌”（Big Flapper），然后进行了多次试飞和修理。这架有单人驾驶的扑翼机，外形雷同普通上单翼轻型飞机，拥有流线型机身，但是它特别的地方在于没有螺旋桨，而又一对能够上下挥舞的长机翼。机翼翼展12.5米，分内外三段，在机身上方的中段相对的固定，而左右两个外端则可以上下扑动，翼面还可以绕机翼前沿的横梁扭曲，模仿鸟翅的运动。一台24马力的活塞式发动机，通过连杆机构，带动左右外翼挥舞。设计师德劳里埃说：“扑翼机设计中最困难得就是机翼。他的运动规律目前还没有气动力学方面的理论指导，一切都要靠实践和试验，慢慢来摸索”。3

目前我们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，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，如今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。

制造方法自达·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，除了一个土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。

困难之处但是到目前为止，实用的扑翼机并没有真正制造出来。这是为什么呢？

首先对于早期的人力作为动力的扑翼机，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。因为人类机体结构的特性，心脏和呼吸器官无法承受长时间的距离活动；而鸟类在长期的进化活动中已形成了适于飞行的机体构造以及骨骼、肌肉等。科学家们还计算出，人类的力量不足以驱动人造翅膀起飞，哪怕是几秒钟。吉洪拉诺夫曾举例论证，人如果要同事使75公斤体重和15公斤飞行器飞上天空，就必须在10秒内发出1.85马力的功率，但事实表明这种可能心是很小的。2

然后对于现在仿生扑翼飞行器，其困难表现在以下几个方面：

空气动力学基础：因为昆虫和鸟类的翅膀不像飞机机翼一样具有标准的流线型，而是类似的平面薄体结构，翅膀拍动过程中伴随着快速且多样性的运动，产生很多局部不稳定气流，这种非定常的空气动力学效应很复杂。

飞行动力能源问题：早期的仿生扑翼飞行器的研究经验靠人体肌肉的力量驱动扑翼飞行器是无法实现持续飞行的，由于微型扑翼飞行器要求外形较小、质量轻、能好少，这就要求我们对于能源系统有着很严格的要求。就目前趋势来看，在今后的研制过程中，电池和微小型电机应该是相当长一段时间内的首选对象。

翼形和材料问题：设计和制造具有非定常空气动力学特性的高效仿生翼，是仿生扑翼飞行研究中急待解决的问题。仿生翼必须轻而坚固，能够在高频振动下不会断裂，且要能够提供足够的升力和推进力等。仿生翼的研究包括翼的结构和形状设计、传动机构设计、材料的选择以及与制造有关的工艺问题 。

通信和控制系统：像鸟类和昆虫一样实现对仿生扑翼飞行的控制是不现实的，控制系统须根据实际使用要求进行很大的简化。首先，将外部条件简化，即考虑飞行环境是理想的；其次，可采用多级简单控制方法。另外，结合实际研制过程，遥控操作、电子调速及方向舵相结合的简单控制系统仍将是首选。目前适用于仿生飞行器的通信系统仍处于不断发展的阶段，但随着电子、计算机技术的快速发展，更加先进的通信技术肯定能够得以实现。4

启示启发有趣的是，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的过程中，却派生了另外一种飞行器——滑翔机。

虽然目前扑翼机的实现仍然具有较大的困难，但是人类追逐扑翼机的梦想是不会停止的，它还会继续吸引我们去实现鸟儿般飞行的梦想。