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撲翼機 ornithopter 機翼能像鳥和昆蟲翅膀那樣上下撲動的重於空氣的航空器。又稱振翼機。撲動的機翼不僅產生升力,還產生向前的推動力。中國春秋時期就有人試圖製造能飛的木鳥。15世紀義大利的達·芬奇繪製過撲翼機的草圖。 1930年,一架義大利的撲翼機模型進行過試飛。此後出現過多種撲翼機的設計方案,但由於控制技術、材料和結構方面的問題一直未能解決,撲翼機仍停留在模型製作和設想階段。

1撲翼機的設想

撲翼機,就是一種能像鳥那樣搧動翅膀飛行的機器。不過,現代人設計的撲翼機翅膀是用各種合成材料做的,古代人的撲翼機「機翼」卻是用地道的鳥禽羽毛做的,而「機身」卻是活生生的人。
不知道大家注意到沒有,在我們的周圍,常存在著一些飛來飛去的小生靈。你看那輕盈的小燕子,時而俯衝大地;時而立定盤旋;時而直上藍天,飛得多麼自由自在啊!我們為什麼不能也長一對翅膀或者做一對翅膀飛翔呢?想得真好。在遙遠的古代,我們的祖先就想到了要製造像鳥一樣飛的機器,幫助人們實現展翅飛翔的夢想,這其實也是現代撲翼機和滑翔機誕生的基礎。
撲翼機

  撲翼機

1250年羅傑·培根記述撲翼機的設想,15世紀達·芬奇作出具體設計,但一直未獲成功
人類在嘗試飛行的初期,一直是很直觀地模仿鳥類,用各種鳥羽或其他人造物,製成翅膀,「安裝」在人的身上。在經歷了許多失敗之後,人類逐漸認識到單純的利用羽翅是不能飛行的。於是開始尋找一種機械的方式。撲翼機就是這個階段的產物。最早的撲翼機也許就是英國的修道士羅傑·培根在1250年發表的《工藝和自然的奧秘》一文中所記述的:「供飛行用的機器,上坐一人,靠驅動器械使人造翅膀上下扑打空氣,儘可能地模仿鳥的動作飛行。」15世紀初,義大利的達·芬奇是歐洲文藝復興時斯的文藝、科學巨擘。他對飛行抱有熱忱,他也是研究撲翼機的著名人物。他的具體設想為,人俯卧在撲翼機中部,腳蹬后頂板,手扳前部裝有鳥羽的橫杵,就像划槳一樣扇動空氣,推動飛行。這個方案是達·芬奇研究了鳥翅,利用物理和解剖知識而設想出來的。撲翼機和帶翼飛人相比是種進步,然而在本質上仍是仿鳥的人力飛行。這種影響一直延伸至飛機發明前夕。

2製造撲翼機

自達·芬奇之後,有個土耳其人穿了一件寬大的帶框架的斗篷,利用撲翼原理飛行,不料框架經受不住空氣阻力而折斷,這位土耳其人不幸遇難。1678年,法國有個叫貝尼埃的鎖匠也制了一架撲翼機。他在肩上擔兩根杆子,桿端各裝一對鉸接的長方翼片。桿端向上擺動,翼片收攏,向下擺動,翼片展開。通過多次實驗,貝尼埃始終未能成功。1742年,62歲的巴凱維爾用四個翼形機構綁縛在自己四肢上,從巴黎旅館屋頂上奮身一躍,企圖飛越塞納河。但他飛了一半便墜河撞在船上,摔斷了腿。
撲翼機的設想由來已久。在中國西漢時期,曾經有人用大鳥的羽毛製做了兩個特大翅膀,然後這人搧動著翅膀從高樓飛下。他只飛了幾百步遠,雖然沒有成功,卻是一種可貴的嘗試。也不知道是多少年後,在英國、阿拉伯、土耳其也有人做過類似的試驗。不過,這幾個人並不都是那麼幸運。據說,除了一個土耳其人飛行了好幾公里遠外,另外的人要麼摔斷了腿,要麼墜地而死,釀成了悲劇。
到了15世紀,義大利的天才設計家達·芬奇設計了一種像鳥一樣撲翼的機械,此機械裝有翅膀,能用腳來進行撲動。這興許是現代撲翼機的前身。
1930年,一架義大利的撲翼機模型進行過試飛,它重約22.7公斤,裝有一台0.37千瓦(0.5馬力)的發動機。撲翼機的設計方案中,有的形如蝙蝠,具有薄膜似的撲動翼面;有的裝有帶縫隙和活門的撲動翼,具有類似飛鳥翅膀的作用。鳥類和昆蟲的飛行表明,撲翼機在低速飛行時所需的功率比普通飛機小得多,並且具有優異的垂直起落能力。但是要真正實現像鳥類翅膀那樣的複雜運動或是像蜻蜓和其他昆蟲翅膀那樣的高頻撲扇運動則非常困難。設計撲翼機所遇到的控制技術、材料和結構方面的問題一直未能解決。撲翼機仍停留在模型製作和設想階段。儘管如此,仍有不少科學家、工程師和業餘愛好者致力於撲翼機的研究工作。

3撲翼機的難題

但是到目前為止,實用的撲翼機並沒有真正製造出來。這是為什麼呢?其實不要說撲翼機、飛機,就是人真的像童話里描述的那樣插上翅膀,也不一定能飛。達·芬奇曾從飛禽的解剖中發現:鳥的臂肌相當有力,而人的臂肌卻顯得太「蒼白無力」了。再說,人即使能像鳥那麼快地搧動翅膀,他的血液供應也不夠。換句話說,人的心臟跳動和代謝功能趕不上鳥。有統計表明,人即使裝上一副約 10斤重的翅膀,它所發揮的功用,還不到小小鴿子的1/10~1/4。——看來,人真是天生不會飛的。撲翼機興許只是一種設想,雖然我們現在有好多的設計圖,但要想真正變成現實,還要我們不斷地努力。

4撲翼機的啟發

有趣的是,無意插柳柳成蔭,撲翼機沒有產生,人們用人力作撲翼飛行試驗時,卻派生了另外一種飛行器——滑翔機。

5現代撲翼機

隨著現代材料、動力、加工技術,特別是微機電技術(MEMS)的進步,已經能夠製造出接近實用的撲翼飛行器。這些飛行器從原理上可以分為仿鳥撲翼和仿昆蟲撲翼,以微小型無人撲翼為主,也有大型載人撲翼機試飛。仿鳥撲翼的撲動頻率低,翼面積大,類似鳥類飛行,製造相對容易;仿昆蟲撲翼撲動頻率高,翼面積小,製造難度高,但可以方便的實現懸停。
現代撲翼雖然已經能夠實現較好的飛行與控制,但距實用仍有一定差距,在近期內仍無法廣泛應用,只能用在一些有特殊要求的任務中,例如城市反恐中的狹小空間偵查。現代撲翼的需要解決的主要問題是氣動效率低、動力及機構要求高、材料要求高、有效載荷小。 以氣動問題為例,微小型撲翼屬於低雷諾數、非定常過程,目前仍無法完全了解撲翼撲動過程中的流動模型和準確氣動力變化,也沒有完善的分析方法可以用於撲翼氣動力計算,相關研究主要依賴試驗。

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