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想要飛,我們首先要了解飛行的基本原理。
飛行的基本原理又分為兩個(gè)方面,一方面是宏觀的飛行原理,另一方面是微觀的飛行原理。
我們先說宏觀的飛行原理。
想要了解宏觀的飛行原理,我們就要知道宏觀的撲翼飛行方式,而宏觀的飛行方式又分為兩種,第一種是往復(fù)式撲翼,另一種就是循環(huán)撲翼。而我們常見的則是往復(fù)式撲翼,我們就以往復(fù)式撲翼為例簡(jiǎn)單介紹一下。
首先,我們通過對(duì)大型鳥類,中型鳥類,小型鳥類,以及昆蟲類的飛行姿態(tài)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)完整的飛行分為三個(gè)部分,起飛,空中行進(jìn),降落。其中起飛的方式?jīng)Q定空中行進(jìn)的特點(diǎn),也決定了降落的方式。
不同體積的飛行生物有不同的起飛方式,但是決定是否能起飛的自身?xiàng)l件主要有三個(gè)方面,一是翼的大小,二是翼是否具有流線型結(jié)構(gòu),三是撲翼的速度。
以此我們觀察飛行生物發(fā)現(xiàn)大型鳥類,翼展面積非常大,翼的流線型結(jié)構(gòu)非常明顯,撲翼的速度非常慢。中型鳥類滿足的特點(diǎn)是,翼展面積很較大,翼的流線型結(jié)構(gòu)比較明顯,撲翼的速度較快。小型鳥類的滿足的特點(diǎn)是,翼展面積較小,翼的流線型結(jié)構(gòu)比較明顯,撲翼的速度很快。昆蟲類的特點(diǎn)是,翼展面積非常小,翼幾乎沒有流線型結(jié)構(gòu),撲翼的速度非??臁?/P>
通過觀察我們發(fā)現(xiàn)這三個(gè)條件中,翼的大小決定了翼的結(jié)構(gòu)和撲翼的速度,如果翼展很大,那么翼就需要流線型的結(jié)構(gòu),并且需要低速撲翼來輔助起飛。如果翼展很小,那么翼的流線型結(jié)構(gòu)就不再那么明顯,取而代之的就是需要高速的撲翼。
知道了起飛的三個(gè)條件,接下來就是如何起飛。大型鳥類通過短時(shí)的較慢的撲翼獲取基礎(chǔ)的升力升空,通過改變翼的迎角獲得行進(jìn)速度,通過獲取的行進(jìn)速度和翼的流線型結(jié)構(gòu)作用于空氣進(jìn)而獲得進(jìn)一步的升力。
中型鳥類通過短時(shí)的較快的撲翼獲取基礎(chǔ)的升力升空,通過改變翼的迎角獲得前進(jìn)速度,通過獲取的行進(jìn)速度和翼的流線型結(jié)構(gòu)作用于空氣進(jìn)而獲得進(jìn)一步的升力。
小型鳥類通過短時(shí)的很快的撲翼獲取基礎(chǔ)的升力升空,通過改變翼的迎角獲得前進(jìn)速度,通過獲取的行進(jìn)速度和翼的流線型結(jié)構(gòu)作用于空氣進(jìn)而獲得進(jìn)一步的升力。
昆蟲類由于沒有翼沒有流線型結(jié)構(gòu),只能通過不停的非??斓膿湟慝@取基礎(chǔ)的升力(也是唯一的主動(dòng)升力來源)升空,通過改變翼的迎角可以前進(jìn)甚至是后退,并且可以通過迎角和基礎(chǔ)升力的配合,可以實(shí)現(xiàn)空中懸停。
綜上所述,大型鳥類的主要升力來源是行進(jìn)速度和翼的流線型結(jié)構(gòu)對(duì)空氣的作用(中性鳥類和小型鳥類次之)。反過來說也就是大型鳥類想要作用與空氣,需要足夠的速度和流線型結(jié)構(gòu)的翼。根據(jù)這個(gè)原理我們制造出來了現(xiàn)有的固定翼飛機(jī),可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離,快速的行動(dòng)。也正是因?yàn)檫@個(gè)原理需要高速行進(jìn),所以現(xiàn)有固定翼飛機(jī)的靈活性大打折扣,而且對(duì)飛行環(huán)境要求較高,不利于低空飛行。根據(jù)昆蟲類的飛行原理,我們可以靈活飛行,降低對(duì)飛行環(huán)境的要求,甚至可以超低空飛行,但是基于種種原因,我們一直沒辦法制造出類似昆蟲翼的撲翼式飛行器。
撲翼式飛行器一直沒有制造出來的幾個(gè)主要原因如下:
首先就是大家所熟知的材料強(qiáng)度問題,往復(fù)式撲翼對(duì)翼所用材料強(qiáng)度的要求非常高。其次是撲翼的速度,在滿足材料強(qiáng)度的要求上,我門需要一套高速撲翼系統(tǒng)。第三是空氣動(dòng)力學(xué)問題,現(xiàn)有的空氣動(dòng)力學(xué)無法解釋撲翼的核心原理,以至于所有的撲翼設(shè)計(jì)都只有形沒有意,也就是只有外觀沒有核心原理。具體的問題分析如下:
第一,材料強(qiáng)度的最主要問題就是類似金屬疲勞這方面的問題,但是往復(fù)式撲翼機(jī)最考驗(yàn)的就是材料抗疲勞這方面的技術(shù),但是材料的疲勞屬性是先天的,只要是材料就會(huì)有這方面的問題,即便當(dāng)時(shí)沒有,但是用一段時(shí)間之后,一定會(huì)出現(xiàn)問題,也就是說往復(fù)式撲翼機(jī)的翼很可能會(huì)成為一種快速消耗品。
第二,當(dāng)翼展足夠大時(shí),撲翼的優(yōu)勢(shì)就很小了,基本上可以直接考慮采用固定翼,而且當(dāng)翼展越大,對(duì)翼的材料要求會(huì)更高,這個(gè)高可能是呈幾何級(jí)增長(zhǎng)的。當(dāng)翼展太小時(shí),我們就不能采用固定翼了,這個(gè)時(shí)候撲翼的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來了,不過想要獲得足夠的升力需要高速撲翼,但是撲翼的速度越快,依然會(huì)對(duì)翼的材料要求高,而且往復(fù)式撲翼本身的往復(fù)性就已經(jīng)限制撲翼的速度,同時(shí)也限制了獲取升力的連續(xù)性。
第三,我們現(xiàn)有的空氣動(dòng)力學(xué)主要是固定翼的流線型結(jié)構(gòu)在高速行進(jìn)時(shí)與空氣的相互作用,這些知識(shí)根本無法解釋撲翼的空氣動(dòng)力學(xué)原理,所以我們現(xiàn)在所做的很多都是純粹的仿生式撲翼。
基于前兩個(gè)問題的分析,我們發(fā)現(xiàn)限制撲翼式飛行器發(fā)展的最主要問題不是撲翼,而是撲翼的方式,也即往復(fù)式撲翼。如果我們不采用往復(fù)式撲翼,會(huì)不會(huì)有新的突破呢。下面我們著重介紹一種新的撲翼方式,即循環(huán)撲翼,或者叫連續(xù)撲翼。
如圖所示,循環(huán)撲翼就是在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上邊有兩個(gè)單翼,轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),外側(cè)的單翼會(huì)展開,內(nèi)側(cè)的單翼會(huì)收起,而控制兩個(gè)單翼展開或者收起的就是轉(zhuǎn)動(dòng)軸兩邊的斜面。
這種設(shè)計(jì)的好處是,翼面不需要做的太大,從而降低材料強(qiáng)度,循環(huán)撲翼沒有往復(fù)性,所以所需的材料強(qiáng)度被進(jìn)一步的降低,也正因?yàn)闆]有了往復(fù)性,撲翼的連續(xù)性大大提高了,也就是實(shí)現(xiàn)高速撲翼的技術(shù)難度大大降低了。
綜上所述,我個(gè)人認(rèn)為撲翼式飛行器的未來只能在循環(huán)撲翼這邊面找到突破。
基于這些理論的支持,我設(shè)計(jì)了一種循環(huán)撲翼類的撲翼式飛行器,目前已經(jīng)通過實(shí)用新型專利申請(qǐng),發(fā)明專利還在審核中,具體的設(shè)計(jì)可以看下實(shí)用新型的說明書附圖:
我本人也制作了一個(gè)模型,供大家鑒賞:
這只是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)高速循環(huán)撲翼系統(tǒng),具體的飛控系統(tǒng)還沒有。
如果要裝上飛控系統(tǒng),那么這個(gè)模型的整體構(gòu)造都要重新設(shè)計(jì)。
如果有興趣的朋友能看懂這個(gè)設(shè)計(jì),并且有條件制作出來的話,我希望循環(huán)撲翼飛行器能早點(diǎn)飛起來。
在這個(gè)構(gòu)造中,兩個(gè)單翼的左側(cè)和右側(cè)是一體的,但是有一個(gè)夾角,所以才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)單翼收縮的時(shí)候,另一個(gè)單翼展開。
除此之外,最關(guān)鍵的部分就是核心原理部分,暫時(shí)還有所保留。
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