撲翼機

撲翼機（ ornithopter ）是指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·文西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構想階段。

2013年，科技公司Festo的科學家研製出的一款既能夠模擬鳥類飛行也能夠極逼真地撲動翅膀的機器鳥，稱之：smartbird。研究稱撲翼形式無法讓飛機產生向上動力，但是該類鳥飛行器可以如真正的鳥兒一樣起飛降落，也算是撲翼機的終極之作。

基本介紹

• 中文名：撲翼機
• 外文名：Ornithopter
• 特點：機翼能像鳥和昆蟲翅膀上下撲動
• 類別：航空器

發展歷程

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，飛得多么自由自在啊！我們為什麼不能也長一對翅膀或者做一對翅膀飛翔呢？這是一個人再合適不過的想法。因此，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。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。”

然後到了15世紀初，世界上第一架按技術規程設計的撲翼機的圖紙出現。該方案由達·文西設計，這位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。他的具體構想為，人俯臥在撲翼機中部，腳蹬後頂板，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·文西研究了鳥翅，利用物理和解剖知識而構想出來的。他的圖紙和草稿至今仍完好的保存在博物館內。

接著過了300多年，1878年英國倫敦博覽會上首次展示了兩架撲翼機。當時考夫曼設計的帶有蒸汽機的撲翼機方案引起了人們的極大興趣；英國人哈爾格萊夫製成了一架帶有發動機的撲翼機實用模型；德國人李林塔爾研製的撲翼機上裝了一台小型發動機，為人力提供輔助力量；他們的理論和實踐成為撲翼機發展史上重要的里程碑。

20世紀初，人類終於解決了動力問題：萊特兄弟的飛機飛上了天空。在不斷完善的基礎上，飛機的種類越來越多，人類航空事業迅猛發展。然而，撲翼機的研究卻因種種原因一直踏步不前，這使得全世界眾多的撲翼機愛好者焦慮不安。俄羅斯的科學家和設計師們在這一領域取得了重大突破。1913年，M.斯穆爾諾夫製成了一架帶電動機驅動裝置的撲翼機；此後，伊林和希烏科夫也造出來類似的飛行器。到30年代，又有眾多的撲翼機飛行愛好者加入了這一領域的探索。人們這種積極性不無原因，因為當時現有的飛行器還不能算作理想的飛行器。撲翼機若獲得成功，它便具有當時一些飛行器所不具備的優點：如原地或小場地起飛；極好的飛行機動性和空中懸停性能以及飛行費用低廉等。

隨著現代電子計算機、新型複合材料、控制技術等高科技領域的迅速發展，研製撲翼機也有了新的基礎。加拿大多倫多大學航空研究院的詹姆斯.德勞里埃教授經過30年的研究，與1996年設計出一架載人撲翼機，取名“大鴨掌”（Big Flapper），然後進行了多次試飛和修理。這架有單人駕駛的撲翼機，外形雷同普通上單翼輕型飛機，擁有流線型機身，但是它特別的地方在於沒有螺旋槳，而又一對能夠上下揮舞的長機翼。機翼翼展12.5米，分內外三段，在機身上方的中段相對的固定，而左右兩個外端則可以上下撲動，翼面還可以繞機翼前沿的橫樑扭曲，模仿鳥翅的運動。一台24馬力的活塞式發動機，通過連桿機構，帶動左右外翼揮舞。設計師德勞里埃說：“撲翼機設計中最困難得就是機翼。他的運動規律目前還沒有氣動力學方面的理論指導，一切都要靠實踐和試驗，慢慢來摸索”。

多倫多大學教授德勞里埃試飛撲翼機模型

目前我們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，仍無法廣泛套用，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，如今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。

2022年11月15日，西工大科研團隊研製出撲翼式無人機。

製造方法

自達·文西之後，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。他在肩上擔兩根桿子，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。

撲翼機三視圖

撲翼機的構想由來已久。在我國西漢時期，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么幸運。據說，除了一個土耳其人飛行了好幾公里遠外，另外的人要么摔斷了腿，要么墜地而死，釀成了悲劇。

到了15世紀，義大利的天才設計家達·文西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構想階段。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。

困難之處

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？

首先對於早期的人力作為動力的撲翼機，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。因為人類機體結構的特性，心臟和呼吸器官無法承受長時間的距離活動；而鳥類在長期的進化活動中已形成了適於飛行的機體構造以及骨骼、肌肉等。科學家們還計算出，人類的力量不足以驅動人造翅膀起飛，哪怕是幾秒鐘。吉洪拉諾夫曾舉例論證，人如果要同時使75公斤體重和15公斤飛行器飛上天空，就必須在10秒內做到約139千克力・米的功，但事實表明這種可能性是很小的。

然後對於現在仿生撲翼飛行器，其困難表現在以下幾個方面：

空氣動力學基礎：因為昆蟲和鳥類的翅膀不像飛機機翼一樣具有標準的流線型，而是類似的平面薄體結構，翅膀拍動過程中伴隨著快速且多樣性的運動，產生很多局部不穩定氣流，這種非定常的空氣動力學效應很複雜。

飛行動力能源問題：早期的仿生撲翼飛行器的研究經驗靠人體肌肉的力量驅動撲翼飛行器是無法實現持續飛行的，由於微型撲翼飛行器要求外形較小、質量輕、能耗少，這就要求我們對於能源系統有著很嚴格的要求。就目前趨勢來看，在今後的研製過程中，電池和微小型電機應該是相當長一段時間內的首選對象。

翼形和材料問題：設計和製造具有非定常空氣動力學特性的高效仿生翼，是仿生撲翼飛行研究中急待解決的問題。仿生翼必須輕而堅固，能夠在高頻振動下不會斷裂，且要能夠提供足夠的升力和推進力等。仿生翼的研究包括翼的結構和形狀設計、傳動機構設計、材料的選擇以及與製造有關的工藝問題 。

通信和控制系統：像鳥類和昆蟲一樣實現對仿生撲翼飛行的控制是不現實的，控制系統須根據實際使用要求進行很大的簡化。首先，將外部條件簡化，即考慮飛行環境是理想的；其次，可採用多級簡單控制方法。另外，結合實際研製過程，遙控操作、電子調速及方向舵相結合的簡單控制系統仍將是首選。目前適用於仿生飛行器的通信系統仍處於不斷發展的階段，但隨著電子、計算機技術的快速發展，更加先進的通信技術肯定能夠得以實現。

啟示啟發

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的過程中，卻派生了另外一種飛行器——滑翔機。

雖然目前撲翼機的實現仍然具有較大的困難，但是人類追逐撲翼機的夢想是不會停止的，它還會繼續吸引我們去實現鳥兒般飛行的夢想。

台北時間2024年7月31日晚，一項線上發表在國際學術雜誌《自然》（Nature）上的最新研究，揭開了甲蟲“獨角仙”犀金龜的振翅和收翼之謎，並啟發了人們如何改進撲翼機。相比固定翼或旋翼飛行器，撲翼機具有飛行效率更高、隱蔽性強、機動性強、適應性強等優點。撲翼機的機翼能像鳥或昆蟲的翅膀那樣上下撲動，進行適時調整。