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创新发明--可用于直升机的蹬伞式或百叶窗板式推进桨

已有 5137 次阅读 2017-6-2 13:10 |系统分类:科研笔记|关键词:扑翼,飞机,仿生学,伞,螺旋桨,直升机,无人机,喷气机| 飞机, 仿生学, 螺旋桨, 直升机, 扑翼

前不久刚修文两篇,论述了百叶窗式透平,在水电技术中的应用。

借雅兴来潮,触类旁通,换一个逆应用的话题,再修一文,谈谈如何将类似技术用于航空推进器。

传统的东西总是根深蒂固的,市场上现有航空推进技术,要么是喷气式,要么是螺旋桨式,别无其它,前者用于需要跑道起飞的飞机,后者用于直升机。

一直未能走出实验阶段的当属:扑翼式飞机。尽管从基于仿生学原理出发的相关科研投入,从世界各国范围来看大得惊人,然而,自达芬奇那个年代算起,历时500多年,至今仍未商用,学界收获的全是论文而已。

从试错入手的科研投入,也占很大部分,但主要来自民科、民企或非政府实验室。他们不在乎在学术上有何造诣,也不指望靠论文晋升职称官阶,只求枚举所有不可能实现的构型,迎接最后那缕成功的曙光。

扑翼飞机现阶段面临的难题是:如何提升有效载荷、比冲系数、减小翼面积、加快飞行速度等。

大自然就是那么神奇,小到笨脑的蚊子,大到翼龙类恐龙,都能娴熟地扑翼飞行,在它们眼里,这不是技术,而是与生俱来的本能。唯独人类把扑翼飞行当作一门高深的学问来研究。

vulture.jpg

个人认为,学界研究特种人工翼材是走到斜路上去了,我不是说邪路。造物主给鸟类搭配的翼材,定是按其形体定制的,而其形体内容物是不能随意增减的。而人工飞行器,几乎都要求机舱内容物,作为可变载荷用于实际飞行任务。

大自然从来没有给任何鸟类,长出螺旋桨那样的软组织,而人类用螺旋桨做成的直升机,不也可以像鸟那样垂直起飞?所以人类无须完全照搬鸟类的飞行模式,也能取得扑翼飞机的成功,关键要物理上的推进作用能讲得通就行。

所以说,当今仿生扑翼机的研究,误入了“形而上学”的歧途,只有“理而上学”,或“形兼而上学”,才能使平民化的空中座骑得道高升!

helicopter.jpg drone.jpg

读者诸君看看我下面这个原理图,物理上能否得到推进作用:

flapping umbrella propeller - small.png

共有4把大伞轮替开合。X型连杆机构组合一起,交叉的一对刚性联结成/或\。

图中/两端伞全开,即将完成高速蹬伞脉冲,\两端伞闭合使得回撤时风阻尽量小,一旦\的上端顶盘,抵达上止位,与基座上的电磁感应发射线圈接触,储备在电容上的可高达万伏的直流电源,通过合上的开关K1,将全部电荷脉冲地泻到发射盘上,之后准备/的上端再次发射,如此不停地周期往复。

电磁弹射器中的巨大脉冲电流,能激发出雷霆万钧的瞬时感应电磁力,将高速向下撑开对应的大伞,瞬时速度可高达音速。

其实,粗略估计伞的推力并不难:日常碰到下雨刮大风的时候,迎风的伞也许会把人推着跑,那个力度大家心知肚明。

要细算的话,借助空气动力学公式可算出:50m/s的台风,作用于1平方米的迎风面,可产生150kg的推力。总之,推力与风速平方成正比。

电磁弹射若产生300m/s的伞速,每平米的伞面上,理论风阻可达5.4顿!按牛顿第3定律,可获得等量升力。

好家伙,我的新型推进桨力气大大的,非常容易获得大的有效载荷或比冲。

除了可做成具有商业价值的大飞机外,利用此技术做成空中吊车/叉车也不错,用于企业基地,干些重活,免得飞出企业地盘,得办复杂的证照啥的。

善于类比的人,很容易联想到下图所示的4二极管全桥整流器。飞机的推进力类比于直流,4把伞的往复式运动类比于交流。


题外话--领会了此板式桨工作原理,对于不会游泳的人,关键时刻甚至能救你命:落水后,在大喊救命的同时,切记一定要4肢快速往复式扑腾!

并非一定要4伞,单伞用于小型机或无人机也挺好,如下图:


相当于单二极管半波整流。虽在伞收拢的半周期内无推力,但惯性足以保持飞行状态。

做成大飞机,完全可以设计成独立的垂直和水平两路推进伞阵列。

不像机械传动那样,布局成矩阵桨,得要配置复杂的变速器和联轴器,我的伞式桨单元,接受高压脉冲输入,而这靠简单廉价的电工布线即可。下图是我构想的概念型扑伞式大型客机,垂直起飞用m x n的底部矩阵桨,水平飞行用m’x n’矩阵桨。


进一步改进:

展开的伞面毕竟不与推力成90°,尽管很接近,但大飞机应用时,这个引起的损失还是蛮大的。

再说多伞布阵时,展开的圆形伞面之间有很大闲置面积,无法有效利用。

伞桨的另外一个弊端是它的底盘太高,这是追求大迎风面积的必然结果。要是单人用来上下班,上去下来配个小梯子确实不方便。

若改成百叶窗,上述几个问题都解决了,但设计稍微复杂一些。

伞桨的收拢不需要额外机件,而百叶窗的单元帘片的翻转,需要配置压缩空气,用4个电磁阀,控制4只百叶窗的协调运动。

据我长期观察,鸟类的翅膀实在太像我的百叶窗板式桨。向下扑翼时,相当于百叶窗帘片单元的羽毛全闭合,此时翅膀就像两块板子向下高速冲击,这是做功冲程。向上收翼时,鸟本能地会使风阻最小,多数鸟类的翅面翻转约90度,还有些鸟靠大幅度缩减翼面积,少数鸟能控制其各单根羽毛同时翻转,而翅面框架不转,就像百叶窗全开那样,这是复位冲程,不需很快,能快更好。

前面的博文中,拿此百叶窗机械传动机构,当水电站的透平使用,那里用上了潜水射流泵,驱动百叶窗的开关。俗点讲,呵呵,这叫一食两吃!

在实际推广中,一定会碰到高压脉冲电源如何搞的问题。

小型无人机,直接用锂电池配直流升压电路即可。用于物流送货蛮好,航空摄影也不错。

大飞机的主动力,还得汽油或柴油机,剩下的问题,就是如何将发动机的扭矩,转换成高压脉冲电源。

现有技术没有合用的,只得依赖我去年搞的例外一个伟大发明,参看我的旧文。当时我称之为科学史上的秋收起义,并从此开创了一门崭新的学科:介电动力学。

为何不用内燃机的活塞直线运动,直接驱动百叶窗板式推进桨呢?这有两个原因:

一则,市场上的内燃机输出端,都做成了旋转轴,早在内部将往复直线运动转成了圆周运动,想用也找不到供货商。若再构建圆周转直线运动,内外两次讨厌的转换,无端地降低了动力效率,因为曲柄连杆机构的作用力与方向,并非理想的一致,而是有角度的,甚至还有死点。

二则,活塞在爆炸做功冲程时的线速度,并不能达到很高值,就算空载状态,也就20m/s那样的谱。虽然能用于我的平板桨,但飞机速度、载荷还有些遗憾。如果用变速箱升速,笨重的铁嘎达,极大削弱了有效载荷,且齿轮寿命在高速冲击下大打折扣。

看来内燃机生产商,也要换脑子,推出些直柄驱动产品。

欢迎国内有兴趣的单位,接洽合作、授权、技术指导或投资等事宜。

理论型学者,欢迎下载我就此发明撰写的英文论文:

Innovative Flapping Umbrella or Flapping Shutter Ornithopter

最后,欣赏一下现有各种原型试验模型,第一个是十五世纪达芬奇最早发明的模型。我们的原型机谍照暂时保密。






一点感悟:

上面模型大多数是民科取得的成绩。与喷气机的均匀大噪声不同,所有扑翼机噪音模式为“吧唧吧唧”,我的模型节奏感更铿锵优美!

一般来说,大的实用创新往往是民科们,从好奇到探索到不断试错才得到的,他们起到了科技发展带路党的作用。但由于理论功底不足或不被认可,导致好不容易闯出来的新路,最后有可能被官科吃豆腐。

美国民科莱特兄弟,百年前从滑翔机试错开始,给喷气式飞机的发展指明了出路,最后,由兵强马壮的官科吃完豆腐,发扬光大地造就了今天大客机的辉煌。

文艺复兴时期的天才加全才达芬奇,也是知名的大民科,他是扑翼机的鼻祖,我们到现在还在吧唧吧唧吃他的豆腐,只是暂时没有占到特大便宜,但总有一天,扑翼机的辉煌商用时代一定会来临。





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