互动科普

人力直升机起飞

曾有专家断言，人力驱动的直升机不可能飞得起来，但两位来自加拿大的年轻工程师却用自己的

发明证明，这些专家的预言错了。

撰文 戴维 · 努南（David Noonan） 翻译 阳曦

专家得出以上结论，是因为他们已经看到了30多年来的失败和无数次坠机。1980年，美国直升机学会（American Helicopter Society，现名AHS国际）就开始悬赏征集成功的人力直升机，而现在这一奖项的金额已经高达25万美元。过往的所有证据都表明，单个飞行员根本无法产生足够的动力，让直升机飞到这样的高度、停留这么长时间。2007年，在《美国直升机学会会刊》（Journal of the American Helicopter Society）上的一篇论文中，英国曼彻斯特大学航空工程师安东尼奥·菲利波内（Antonio Filippone）计算得出的结论是，人力直升机，以及基于这一概念的所有航空器，不可能飞得起来。“总而言之，美国直升机学会……的想法……不可能在现实中达成。”

然而，2013年6月，32岁的赖克特和27岁的罗伯逊凭借“阿特拉斯”号（Atlas）直升机获得了美国直升机学会的奖金——“AHS西科斯基奖”（AHS Sikorsky Prize）。他们的巨型机器由自行车驱动，拥有4个旋翼。直到获奖以后，他们才知道菲利波内写过这篇断言“人力直升机不可能飞得起来”的论文。

疯狂的目标

“阿特拉斯”号看起来就像是保罗·班扬（Paul Bunyan，美国神话中的伐木巨人，传说他只需迈一小步，就能跨越三条街）亲手打造的神奇玩具，有4根梁臂，由碳纤维管和高科技纤维缆绳制成，这些材料组装成巨大的“X”型拱架，对角长度达88英尺（约26.8米）。“X”型拱架的每条梁臂的末端都有一个旋翼，每个旋翼直径67英尺（约20.4米），肋板由轻木制成，上面覆盖着透明的迈拉（Mylar，一种聚脂类高分子化合物）膜。直升机中央的拱形结构离地12英尺（约3.7米），下方悬挂着一辆经过改装的竞赛自行车，而自行车上端坐的正是“阿特拉斯”号的人力“引擎”——也就是赖克特本人。赖克特踩动脚踏板，将动力通过线轴和缆绳组成的复杂系统传递给旋翼，驱使它们转动，最终让这架重121磅（约54.9千克）的飞行器离地起飞。

经过无数次失败，他们的直升机成功地在空中停留了64秒，这一成功标志着，在这个大公司领导大型工程师团队的年代［例如洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）和诺斯罗普·格鲁门公司（Northrop Grumman）］，灵活的小团队也能解决最困难的问题。西科斯基飞机公司（Sikorsky Aircraft）资深工程师兼2013西科斯基奖委员会主席本杰明·海因（Benjamin Hein）表示，这两位年轻设计师必须在动力源非常有限的条件下，确定直升机的理想尺寸和重量，完成最优的旋翼设计，并配置可用的飞行控制系统。他指出，工业界应从中学到重要的一课，其中最值得学习的是，赖克特和罗伯逊勇于探索、不畏失败的精神，和快速做出重大设计改动的方式。“这是大公司无法做到的，”海因表示。

还有一点也能展现小团体的力量，那就是赖克特和罗伯逊自行编写、用于优化飞机设计的、可以在笔记本上运行的电脑程序。现在，这个程序已经成了NASA软件工具包的一部分，用来配置速度比“阿特拉斯”号快得多的飞行器。两位工程师还计划，明年用这款软件设计另一架人力飞机，并竞逐克雷默马拉松奖（Kremer Marathon prize），该奖项旨在奖励首架在1小时内飞完26英里（约42千米）的人力飞行器［虽然目前人力飞行器的速度纪录是每小时27.5英里（约44.3千米），但那次飞行仅持续了2分多钟］。

在撰写赖克特和罗伯逊的报道时，我情不自禁想起了另外两位发明家——发明了第一架飞机的莱特兄弟。和莱特兄弟一样，赖克特和罗伯逊对载人飞行都满怀热情，两人相识于加拿大多伦多大学，当时他们俩都是工程学专业的学生，现在则共同经营着阿罗威洛（AeroVelo）公司——也就是他们的“设计与创新实验室”。赖克特说，他们希望“让人们看到，机械效率还有这么大的潜力可供挖掘”。所以，他们主要采用的是已问世数十年的材料，例如轻木、聚苯乙烯泡沫塑料和迈拉膜；也是出于这个原因，他们乐于挑战人力驱动的种种局限。罗伯逊说，这意味着我们不能通过购买更好的发动机来解决问题。“你必须在不改变动力源的前提下解决问题，而不是简单地增加动力。”莱特兄弟曾经开过自行车店，如果他们看到，自行车在赖克特和罗伯逊的发明里占据着核心地位，想必会十分欣慰。除了“阿特拉斯”号以外，两位工程师还成功制造了一架自行车驱动的扑翼飞机。

不过，赖克特和罗伯逊与莱特兄弟最相似的地方，还是他们做事的方式。“莱特兄弟的风格很像是机械师，”赖克特说，“他们知道如何调试、修理，不过与此同时，他们在科学上也十分严谨，我们需要的正是把这两方面结合起来”。

这两位加拿大工程师并非专业的直升机设计师，所以他们才没有看到那些宣告人力直升机不可能成功的科学论文。不过，他们深知，完成飞机设计所需的复杂计算，很可能需要占用超级计算机大量的计算时间，而他们付不起这笔昂贵的费用。于是他们觉得有必要设计一款新软件，改进传统的航空设计方法——在传统方法中，各种结构和拥有不同空气动力学特征的元件都是由独立小组分别完成的，而且还需要反复修改。罗伯逊说，这样的流程会导致“最终的解决方案在空气动力学和结构两方面都不够完美”。

为了解决这些问题，他们需要一款专门针对人力直升机的软件，不仅能将结构和空气动力学设计元素都考虑在内，而且费用不能太高，运行速度还得要快。

于是，经过5个月的马拉松式编程，他们在笔记本上完成了这款软件，该软件的部分工作是赖克特此前做扑翼机项目时完成的，那个项目为他赢得了博士学位。为了把本来该由昂贵的超级计算机负责的工作交给笔记本来完成，他们决定在某些数据（例如旋翼周围的气流）的计算上，不采用高精度的计算模型，以中精度模型取而代之，以减少计算量。高精度模型能准确给出复杂气动环境（例如旋翼端部）的各种细节，这样的要求在商业飞机的设计中很有必要，但对于低空慢速飞行、易于修改的“阿特拉斯”号而言，则无必要。“中精度模型的误差大约在2%左右，”罗伯逊说，“这对我们来说足够了”。

这套量身定制的程序，让他们得以在笔记本上测试几乎任何一种给定的直升机设计方案。只需输入设计方案中的几十个变量，例如旋翼的几何形状、重量、尺寸以及制造旋翼的材料（如碳纤维管）在什么情况下会失效，程序就会处理这些数据，并在数分钟内输出给定飞行器的最优版本，以及升空所需的最小动力。现在，NASA的软件库也收录了这套程序，因为NASA喜欢它的工作方式——在极短时间内给出非常接近正确答案的结果。

直觉和反复实验

一开始，赖克特和罗伯逊就决定做个“大家伙”——长长的梁臂和大型旋翼，让升力最大化。看看“阿特拉斯”号为两位加拿大工程师赢得奖项时的飞行视频，你会发现它的旋翼每分钟只能转10次，慢到让人怀疑它的效率。但是，“阿特拉斯”号的升力来自旋翼的巨大尺寸，而不是它的速度。两位工程师认为，前人的失败是因为他们人为地限制了直升机和旋翼的尺寸，以便在健身房之类的场地中试验，因为这类飞行器比较脆弱，无法适应户外飘忽不定的风。选择室内场地是个好主意，但两位工程师认为，健身房太小了。于是，多伦多北面一座巨大的旧谷仓——然后是这座城市附近的足球中心——成了人力直升机的“小鹰镇”（Kitty Hawk，位于美国北卡罗来纳州，1903年莱特兄弟在这里首次成功完成了动力飞机的试飞）。

限制“阿特拉斯”号设计的另一大因素是“发动机”——也就是赖克特本人的重量和动力，他略高于5英尺10英寸（约1.78米），体重180磅（约81.6千克）。不过，按照直升机的设计方案，飞行员的重量必须在165磅（约74.8千克）以内，这意味着赖克特必须减重15磅。除此以外，他还必须在飞行中输出足够的动力，让自己的身体和直升机——总共286磅（约129.7千克）——飞到指定的10英尺（约3米）高度并停留1分钟。根据直升机的总重量和4个旋翼的尺寸，计算得出起飞所需的启动功率约为1 000瓦，悬停所需的稳定输出功率约为600瓦，约等于全力冲刺100米，然后以略慢的速度冲刺400米。

赖克特堪称北美最健壮的航空工程师，他曾作为专业速滑运动员竞逐加拿大最高等级的赛事。现在，赖克特的身体成了直升机的一部分，而且他和罗伯逊同样执着于测量。“只要有办法测量某样东西，”赖克特说，“就有办法改进它”。在几个月的训练课程中，他和罗伯逊用两套测功系统（ergometer system）测量自己的动力输出。赖克特的体重最终减到了160磅，比目标体重还轻了5磅，他的努力降低了直升机飞行对动力的需求，同时“发动机”的输出并没有受到明显损失。

为了确保最佳的发挥，顶级运动员常常会精心安排时间表，让自己的身体状态在赛事开始前达到巅峰。但由于多次技术原因带来的延期，赖克特不得不在9个多月的时间里一直保持巅峰体能。不可思议的是，在获奖的那次飞行中，他超额完成了目标，最初12秒他输出的功率高达1 100瓦（近1.5马力），随后回落到690瓦左右，让“阿特拉斯”号在空中待了64秒。

2012年夏天，赖克特、罗伯逊和多伦多大学8名学生组成的团队，开始打造“阿特拉斯”号。虽然他们制造的是一架“异想天开”的机器，想要完成的是一个“不可能”的目标，但赖克特和罗伯逊没有把时间和精力浪费在“花哨”的设计，或是寻找什么古怪的新材料上。他们尽可能采用已有的解决方案，使用行之有效的“即插即用”式的元件，借此压缩开支，节省精力来解决更麻烦的问题。比如说，他们没有专门定制超轻自行车，而是对已有最轻的公路自行车乐思路（Cervélo）R5ca进行改造。和高校学生聊天时，罗伯逊喜欢告诉他们，制造“阿特拉斯”号的大部分材料都能在迈克尔斯（Michaels）之类的手工用品商店买到。他们使用的最新产品是聚乙烯纤维（Vectran），这种液晶聚合物纤维是高新产品，高强度、零蠕变——受力时完全不会拉长。

赖克特说，在多伦多北面的那座谷仓里，直觉和反复实验取代了复杂深奥的运算法则。在这样的模式下，最早“遭殃”的是“阿特拉斯”号的控制系统，这套复杂的系统由无数杆柄和线缆组成，连接在旋翼顶端小小的“L”型机翼（前翼）上。按照西科斯基奖的规则，直升机的运动范围不应超出边长10米的方形场地，理论上，“阿特拉斯”号的控制系统应该通过调节旋翼的倾斜角度，不让它飘到场地外。

这套系统看似精巧，但它的延迟时间太长，无法起到实际控制效果。“它的机制的确很棒，”罗伯逊表示，但就是没法对付漂移。所以，他们用一套更简单的系统取代了它——用几条线缆连接自行车底部和4个旋翼的转轴。飞行员可以通过身体的动作来控制飞机的漂移，身体前倾，直升机就向前，左倾则向左，以此类推。“我至今都不敢相信这居然能行，”赖克特说。在获奖的那次飞行的视频里，你可以看到他大部分时间都在拼命向右倾斜。这一改动不但降低了“阿特拉斯”号的飞行难度，还让直升机的总重量减轻了10%；再算上因此减少的阻力，整体的动力需求降低了20%之多。

试验过程中，这架脆弱的飞机经常有这里或是那里坏掉，就在挑战奖项的前几周，他们还遭遇了两次颇为“壮观”的坠机。两次事故的原因都是一种名为“涡环状态”的空气动力学现象，在这种情况下，转动的旋翼会沉入被自己下推的空气中，失去升力。两位工程师仔细检查了旋翼，发现翼片的前缘不够光滑：由于他们急于完成直升机的制造，所以迈拉膜贴得比较匆忙，上面有一些不光滑的点，因此造成了额外的阻力。于是，二人组细致地展平了迈拉膜。他们还截短了碳纤维支杆，绷紧了旋翼臂上的支撑线。

改动奏效了。第二次坠机发生后的第8周，他们夺取了西科斯基奖。视频里赖克特驾驶的直升机歪歪斜斜，像是装配了巨大螺旋桨的建筑起重机，该视频在YouTube上被观看了310万次以上。西科斯基奖旨在激励下一代工程师，激发公众的想象力，从YouTube的点击量来看，“阿特拉斯”号直升机成功地完成了这个目标。

赖克特完成挑战以后，研究团队里的每一位成员都获得了一次驾驶“阿特拉斯”号的机会，所有人都成功飞到了离地面至少一两英尺（1英尺约为0.3米）的高度。“那天之前，”罗伯逊说，“在月球表面上漫步过的人，都比开过人力直升机的多。现在，开过人力直升机的人数是上过月球的两倍”。

下一个挑战

谈到成功的原因，赖克特说，他和罗伯逊依靠的不仅仅是技术，他们还执着于完成不可能的任务，或者至少是努力去尝试。“你必须设定一些疯狂的目标，”他说，“因为这才是动力所在”。

罗伯逊抱怨说，这个世界上没有挑战性的目标已经够多了，他举的首要例子就是燃油能效标准。他说，政府提升汽车整体能效的努力值得赞赏，比如美国计划在2025年让汽车能效达到54.5英里/加仑（约23千米/升），比现行标准提升了88%，但他认为这样的目标还不够野心勃勃。“要是政府一下子要求把燃油能效提高10倍，”他说，“那所有人都会放下手头的事，以全新的目光来审视这个问题”。他坚称，这样有助于一个超高效运输系统的诞生。

不过显而易见，政治和政策圈子不可能提出这种主意。赖克特和罗伯逊也知道这一点。他们只是希望，这样的高目标会促使人们从新的角度，来思考那些看似棘手的问题。“挑战看似不可能完成的任务，并不会让事情本身变得简单，”赖克特说，“但会带来更多的满足感和动力，而且这个显然会更重要”。

2014年秋天，赖克特和罗伯逊曾前往内华达州巴特尔山挑战83.127英里/小时（约133.8千米/小时）的自行车速度世界纪录，最终以大约4.5英里/小时（约7.2千米/小时）的差距惜败。2015年他们将重返天空，迎接另一个数十年来一直未能达成的人力飞行器挑战——克雷默马拉松奖，该奖项要求参与者在一小时内驾驶人力飞行器飞越26英里（约42千米）的航程，奖金为5万英镑（约8万美元）。赖克特和罗伯逊已经有了明确的想法和设计，他们有信心再取得一次“不可能的胜利”。

迄今为止，唯一曾达到过这个速度的人力飞机只在空中停留了2分钟左右。马拉松般的漫长距离似乎遥不可及，或许有人会因此认定，克雷默奖的要求“不可能在现实中达成”。不过，如果真有人这么宣称，那很可能正是赖克特和罗伯逊希望听到的。