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电影【沙丘】中为什么使用扑翼飞机而不是固定翼?

2023-03-06影视

【沙丘】中类似蜻蜓的扑翼机十分酷炫。与以往电影和游戏中出现的不同,该作中扑翼机翅膀有着超高的振动频率,视觉效果与真实的蜻蜓无异,或者说有着类似直升机旋翼的高速运动,从视觉上让人相信这种机器能够飞得起来。

可见扑翼速度快到残影

那么现实中真的能造出这样的机器吗?我知道大多数人分析这个问题会考虑材料、金属疲劳等方面,所以我从另一个角度入手。

现实中会飞的生物无外乎鸟类和昆虫(暂不考虑蝙蝠的事)。它们的特征非常明显,有较大的翅膀,舍弃了行走速度和护甲来换取轻量化的身体。大部分的肌肉被用于驱动翅膀,因此鸟类和昆虫都有极为强壮的胸肌。

鸟类大部分肌肉是连接在龙骨上的胸肌

那么为什么生物都是扑翼,没有固定翼带螺旋桨、或者旋翼直升机一样的生物?为什么人类制造的飞机不是固定翼就是直升机,没有实用化的扑翼机?我认为问题出在了动力来源上。人类制造的发动机,无论是活塞式发动机、燃气涡轮机还是电动机,输出的都是轴动力,或者说扭矩。生物的肌肉则只能靠伸缩输出拉力,即便是可以旋转的关节,也都是由不同肌肉朝相反方向拉动而实现的。因此不能输出扭矩的肌肉,自然不可能创造出用轮子跑、用螺旋桨游泳、用旋翼飞上天的生物。

昆虫的胸腔也是被强壮的肌肉所占据

扑翼机如果使用输出轴动力的发动机,按照鸟类和昆虫的方法,就又要把轴动力转换为拉力来驱动桨叶。航模大小的扑翼机使用钢丝和塑料薄膜制作,用小马达带动飞行,但数十吨重的大型扑翼机还要用复杂的连杆和齿轮机构,简直不可想象。

在我的设想中,扑翼机的动力应该是类似肌肉的结构,由活塞连杆直接推动桨叶,相当于两台单缸二冲程发动机控制一片桨叶。这样活塞的动力能够直接输出到桨叶上,而不是驱动曲轴后在转换为其他机械能。

如果是黑科技的核动力电驱,那不妨由电磁铁来推拉桨叶,就像老式的电铃一样。

但是以上讲了那么多,只是涉及到了最简单的动力部分。飞控无疑是扑翼机的噩梦。

塑料薄膜制作的航模扑翼机更类似于昆虫,外形不可调节的翅膀通过改变振幅和挥舞方向来调节升力和推力,从而实现转向、翻滚、俯仰等动作。通过一些机械结构便能够实现。鸟类的翅膀更加复杂,翎毛可以张开,类似飞机的襟翼;翅膀上复杂的肌肉可以随时调节翅膀本身的构型,可谓是能够瞬间无级调节的可变翼。再加上可以任意角度调整的尾翼,鸟类获得了极大的灵活性,其飞控系统的复杂程度非人类飞行器可以比拟。显然,大型载人扑翼机必须也要实现这一点。

可以想象,扑翼机桨叶所需的自由度远超任何直升机的桨叶。垂直起飞时桨叶要能够前后摆动,前进时则改为上下摆动,还要考虑倒退的情况。涉及到机动时飞控只会更加复杂,任何滚转和侧偏动作都需要对桨叶挥舞时的空气动力学特性彻底研究透。而遇到如风切变等复杂气象条件时,扑翼机的操纵难度只会更加增高。我不认为这是纯机械能够做到的,一定要做大量的试验和标定,用成熟的电脑飞控系统来全盘控制。当然,把传感器系统集中连接到鸟类大脑上,让鸟类大脑辅助控制飞行,兴许也是个不错的办法。

比起飞控,振动可能是扑翼机最可怕的问题了。我们都知道鸟类自带一个鸟头稳定系统,但人类可没有这个本事,坐上扑翼机飞一圈估计脑浆子都能摇匀了。扑翼机的飞行将涉及到各种频率的振动,会对包括乘员在内的机上所有材料和设备造成很大的破坏。这一点在飞机和直升机上都是通过各种手段去避免,而扑翼机本身就是制造振动和湍流的,并不像飞机和直升机是利用滑流消除湍流。振动也意味着噪声,螺旋桨飞机和直升机的噪声已经够大了,很难想象扑翼机的噪声会达到什么水平。

综上,扑翼机天生的缺陷太多,而航空当然更青睐简单高效的设计。固定翼飞机已经能够超音速,直升机能满足所有扑翼机擅长的事情。就算是垂直和短距起降,恐怕直升机的优势还要更大,至少它的旋翼有一定的离地间隙,扑翼机还需要更多的净空范围。扑翼机如果遇上发动机失效,毫无疑问就是机毁人亡的命运——在一边翅膀不动的情况下,扑翼机不可能保持平衡。

其实不用说在航空业,所有的船舶不是螺旋桨就是喷水发动机,从没有一款船舶是用活塞划桨,或者像鱼一样扭着尾巴往前走的。仿生学仅仅是在外形方面学习生物,却无法做到动力方面也与生物一模一样。我们只能见到各类仿生学机器人,却不可能见到像马一样用腿走路的汽车、像跳蚤一样蹦哒的摩托车、像鸟一样扑腾的飞机、像鱼一样窜溜的船、像蛇一样爬的火车。

同样的扑翼机,改成直升机就顺眼多了

那么扑翼机存在的意义是什么?毫无疑问,它满足了人类对科技的幻想,是新奇的视觉体验,司空见惯的东西已经激不起人类的兴趣了,所以人类需要幻想出一个异世界。

在那里,天上是扑翼机和飞艇,地上是毛毛虫一样蠕动的车辆和各类人形、兽形机甲,水中是鱼一样的潜艇和海龟一样的游船,各种昆虫一样的无人机四处游荡服务着人类,人们住在大树和蘑菇一样的房子里,建造了蜂窝一般的地下城。

是的,它们都不能变成现实,不可能被建造出来,是工程师的噩梦,但这何尝不是艺术家的天堂呢?就让它去激发孩子们的想象吧!