【簡介：】不是。 直升機(jī)旋翼的槳葉剖面由翼型構(gòu)成，葉片平面形狀細(xì)長，相當(dāng)于一個大展弦比的梯形機(jī)翼，當(dāng)它以一定迎角和速度相對于空氣運(yùn)動時，就產(chǎn)生了氣動力。直升機(jī)的外形和其他飛機(jī)有區(qū)
不是。 直升機(jī)旋翼的槳葉剖面由翼型構(gòu)成，葉片平面形狀細(xì)長，相當(dāng)于一個大展弦比的梯形機(jī)翼，當(dāng)它以一定迎角和速度相對于空氣運(yùn)動時，就產(chǎn)生了氣動力。直升機(jī)的外形和其他飛機(jī)有區(qū)別，但是就空氣動力學(xué)原理來說是一樣的。 最早的人直升機(jī)由德國科學(xué)家?？?沃爾夫1937年設(shè)計，被稱為FW-61（下圖）。跟仿生學(xué)并沒有聯(lián)系。
是的，直升機(jī)根據(jù)蜻蜓形象仿的
根據(jù)蜻蜓做出了直升機(jī)，人類還有哪些仿生技術(shù)？
中國古代一些發(fā)明在力學(xué)原理上與現(xiàn)代航空航天有相同之處，如孔明燈之與熱氣球，風(fēng)箏之與滑翔機(jī)、固定翼飛機(jī)，煙花爆竹、火箭兵器之與航天火箭、導(dǎo)彈，竹蜻蜓之與直升機(jī)等等。我們今天要談?wù)勚耱唑雅c直升機(jī)。
蜻蜓是一種常見的昆蟲，竹蜻蜓是指一種兒童玩具，高速旋轉(zhuǎn)時能產(chǎn)生升力向上飛起，早期往往以竹片手工制成，現(xiàn)如今，塑料材質(zhì)的竹蜻蜓以易于規(guī)?；a(chǎn)、成本低廉而更常見。竹蜻蜓在國外稱為“Chinese top”或“Bamboo-copter”，被認(rèn)為是直升機(jī)的起源。
（a）蜻蜓 （b）竹制竹蜻蜓 （c）塑料制竹蜻蜓
竹蜻蜓的進(jìn)動特性
首先強(qiáng)行科普一些飛行力學(xué)概念。我們通常將固定翼和旋翼葉片橫截面稱為翼型。翼型前緣與后緣的連線稱為翼弦。翼弦與旋翼旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角稱為槳距。翼弦與前方來流流線的夾角稱為迎角。
旋翼上的升力和阻力與旋翼的轉(zhuǎn)速和迎角有關(guān)。當(dāng)迎角過大時，旋翼表面大部分區(qū)域出現(xiàn)渦流，升力急劇降低，阻力急劇升高，此現(xiàn)象稱為失速。在不至于失速的前提下，迎角越大，升力越大，阻力也會越大。
竹蜻蜓的旋翼葉片要有正的迎角和足夠大的轉(zhuǎn)速才能產(chǎn)生足夠升力飛起來。我們將竹蜻蜓兩葉片的旋轉(zhuǎn)平面稱為旋翼槳盤，將作用在旋翼上的總空氣動力沿旋翼槳盤法線方向的分量稱為拉力。
我們將竹蜻蜓手柄在下、拉力朝上的旋轉(zhuǎn)方式稱為正轉(zhuǎn)；手柄在下、拉力也朝下的旋轉(zhuǎn)方式為反轉(zhuǎn)。當(dāng)然，也可以采用手柄朝上、拉力也朝上的玩法，此時的竹蜻蜓是一個旋轉(zhuǎn)的倒立擺，其穩(wěn)定性不如手柄在下、拉力朝上的情形。下面的分析只針對“正轉(zhuǎn)”情形展開。
若想讓竹蜻蜓朝其他方向飛行，就應(yīng)該使旋翼槳盤朝其他方向傾斜。傾斜并旋轉(zhuǎn)的竹蜻蜓，所受拉力也是傾斜的。拉力的豎直方向分量對抗重力，水平方向分量驅(qū)動竹蜻蜓向前飛行，但這種前飛的趨勢不能一直維持，其飛行姿態(tài)以及飛行軌跡會產(chǎn)生大致如圖所示的變化趨勢。原因何在呢？
圖竹蜻蜓的飛行姿態(tài)變化及飛行軌跡
這要從槳葉的速度特征說起。（前方部分內(nèi)容較難，可選擇性跳過）
空氣在A點(diǎn)相對于槳葉的流動速度與A點(diǎn)的絕對速度大小相等、方向相反；空氣在B點(diǎn)相對于槳葉的流動速度與B點(diǎn)的絕對速度大小相等、方向相反。
中會產(chǎn)生向后傾倒的趨勢。竹蜻蜓自轉(zhuǎn)軸的進(jìn)動特性以及相應(yīng)的拉力方向變化正是圖3所示的飛行姿態(tài)及飛行軌跡變化的原因。
當(dāng)竹蜻蜓手柄與豎直方向的夾角垂直且沿水平方向飛行時就沒有前行和后行槳葉的區(qū)別了。螺旋槳飛機(jī)的直線飛行狀態(tài)可以忽略陀螺的進(jìn)動問題，此時的推進(jìn)螺旋槳就像一只巨大的竹蜻蜓拉著飛機(jī)朝前飛行，如圖所示；但是當(dāng)飛機(jī)快速轉(zhuǎn)彎時，會存在因快速改變螺旋槳（本質(zhì)是一高速陀螺）轉(zhuǎn)軸指向而出現(xiàn)較大陀螺力矩的問題，陀螺力矩通過轉(zhuǎn)軸傳遞給機(jī)身。
圖螺旋槳飛機(jī)（我國的初教六）
現(xiàn)代直升機(jī)旋翼系統(tǒng)：科技含量遠(yuǎn)高于竹蜻蜓
由于竹蜻蜓傾斜飛行時的進(jìn)動特性，若直接將類似于竹蜻蜓的旋翼安裝在直升機(jī)上，直升機(jī)真的只能“直升”了，其前進(jìn)、后退以及側(cè)向運(yùn)動控制將難以有效實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的構(gòu)型種類繁多。最常見的是單旋翼、尾部側(cè)面布置小螺旋槳的直升機(jī)；還有多種雙旋翼直升機(jī)，比如共軸雙旋翼、縱列雙旋翼、橫列雙旋翼等。
總的來說，現(xiàn)代直升機(jī)旋翼系統(tǒng)既克服了不利的陀螺進(jìn)動又利用了有利的陀螺進(jìn)動特性。我們以單旋翼為例來談一談這個問題。
為了克服由于陀螺進(jìn)動特性而引起的旋翼槳盤后倒問題，直升機(jī)旋翼系統(tǒng)采用揮舞鉸（亦稱水平鉸）應(yīng)對。
揮舞鉸允許直升機(jī)的槳葉上下?lián)]舞運(yùn)動。直升機(jī)前行槳葉在拉力增大的情況下向上揮舞，向上的揮舞速度能降低前行槳葉的有效迎角而使拉力減小；后行槳葉在拉力減小的情況下向下?lián)]舞，向下的揮舞速度能增大后行槳葉的有效迎角而使拉力增大，這樣就能使前行區(qū)和后行區(qū)拉力趨于平均，進(jìn)而避免了能引起旋翼轉(zhuǎn)軸進(jìn)動的側(cè)傾力矩的出現(xiàn)。這種揮舞稱為吹風(fēng)揮舞，此揮舞也能帶來旋翼槳盤的后倒，但這種后倒是有限值，完全不同于旋翼槳盤因進(jìn)動而引起的持續(xù)后倒。槳葉的上下?lián)]舞運(yùn)動受到因自身旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的慣性力矩的制約。為降低結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度、降低自重，吹風(fēng)揮舞可以通過槳葉自身的柔性或槳轂中的柔性部件來實(shí)現(xiàn)。
一般情況下，槳轂驅(qū)動軸相對于機(jī)身的方位是不變的，直升機(jī)的前進(jìn)、后退以及側(cè)向運(yùn)動通過旋翼槳葉的周期變距實(shí)現(xiàn)。周期變距通過自動傾轉(zhuǎn)盤和變距鉸（亦稱軸向鉸）實(shí)現(xiàn)。
比如要實(shí)現(xiàn)前飛運(yùn)動，就應(yīng)使旋翼槳盤前傾，提供指向前上方的拉力。在適當(dāng)相位周期性改變槳距能實(shí)現(xiàn)槳葉的周期揮舞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋翼槳盤的前傾，此種因變距引起的揮舞稱為變距揮舞。周期變距的目的是給旋翼槳盤施加主動控制力矩，實(shí)現(xiàn)相位滯后的自轉(zhuǎn)軸進(jìn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋翼槳盤前傾。只要變距揮舞引起的前傾角度在數(shù)值上大于因吹風(fēng)揮舞而引起的后倒角，旋翼槳盤總體上就是前傾的，這樣就能實(shí)現(xiàn)前飛。
吹風(fēng)揮舞是一種被動控制，變距揮舞則是主動控制。兩種控制方法的共同目的是適時改變槳葉的有效迎角，進(jìn)而有效地改變槳葉上的氣動力，實(shí)現(xiàn)氣動力控制。揮舞鉸和變距鉸的存在還會給旋翼系統(tǒng)帶來其他的動力學(xué)問題以及相應(yīng)的解決方案。比如槳葉揮舞運(yùn)動的空氣動力學(xué)特性還導(dǎo)致了旋翼系統(tǒng)中擺振鉸（亦稱垂直鉸）的出現(xiàn)等。下圖列出了幾種直升機(jī)旋翼系統(tǒng)槳榖部分結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)圖，其復(fù)雜程度可見一斑。
除了根據(jù)蜻蜓做出了直升機(jī)以外，人類還有很多仿生技術(shù)。比如：根據(jù)蝙蝠做出雷達(dá)。根據(jù)螢火蟲做出人工冷光。根據(jù)許多強(qiáng)有力的動物爪子而做出了起重機(jī)。根據(jù)長頸鹿的結(jié)構(gòu)而做出的宇航服。根據(jù)青蛙研制出電子蛙眼。利用龜殼結(jié)構(gòu)設(shè)計出澳大利亞歌劇院。等等這些許多仿生技術(shù)。
