“创新思维与现代设计” 创新设计项目报告 灾害救援中递送物资用四旋翼 小组成员：储沁钰（组长） 陈佳威 王明祥 徐易理 杨之远 日期：2018年12月20日
“创新思维与现代设计” 创新设计项目报告 灾害救援中递送物资用四旋翼 小组成员：储沁钰（组长） 陈佳威 王明祥 徐易理 杨之远 日期：2018 年 12 月 20 日
创新思维与现代设计作业 目录 1.优秀设计案例分析… 3 1.1案例1：诸葛连弩（完成人：杨之远） 3 1.1.1引言及背景介绍… 3 1.1.2诸葛连弩的机械结构… …4 1.1.3产品分析 …7 1.1.4展望与设想… …7 1.2案例2：波音747（完成人：陈佳威） 8 1.2.1引言及背景介绍. 8 1.2.2创新设计… …10 1.2.3产品分析 -10 1.2.4小结… …12 2.问题/需求发现… …13 2.1十年后的手机设想… …13 2.1.1无线充电的普及… …13 2.1.2模块化的手机… 13 2.2半机械人畅想… …14 2.2.1改造残疾人… …14 2.2.2.探索极端环境/从事高危工作 …14 2.23.增加人类的机动性…14 2.3未来汽车设想（磁悬浮自动驾驶汽车）（完成人：储沁钰） 14 3.创新设计实践· …15 3.1背景和需求… 15 3.2功能分析及定义… …15 3.3方案提出… …16 3.3.1控制系统与动力系统 …16 3.3.2输入及输出系统… …18 3.3.3机械臂及补给系统… …19 3.4详细设计… 20 3.4.1控制系统与动力系统 20 3.4.2输入及输出系统 22 3.4.3机械臂及补给系统 23 3.5可行性及效果评估… 27 3.5.1成本分析… …27 3.5.2实际装配分析… …27 3.5.3机械臂自由度分析 27 3.5.4实际效益分析 27 3.6小组分工… 28 4.思考和体会… 29 2/30
创新思维与现代设计作业 2/30 目 录 1. 优秀设计案例分析···········································································································································3 1.1 案例 1：诸葛连弩（完成人：杨之远）····························································································3 1.1.1 引言及背景介绍··································································································································3 1.1.2 诸葛连弩的机械结构·························································································································4 1.1.3 产品分析················································································································································7 1.1.4 展望与设想···········································································································································7 1.2 案例 2：波音 747（完成人：陈佳威）·····························································································8 1.2.1 引言及背景介绍··································································································································8 1.2.2 创新设计··············································································································································10 1.2.3 产品分析··············································································································································10 1.2.4 小结·······················································································································································12 2. 问题/需求发现················································································································································13 2.1 十年后的手机设想··································································································································13 2.1.1 无线充电的普及································································································································13 2.1.2 模块化的手机····································································································································13 2.2 半机械人畅想···········································································································································14 2.2.1 改造残疾人·········································································································································14 2.2.2. 探索极端环境/从事高危工作······································································································14 2.2.3. 增加人类的机动性··························································································································14 2.3 未来汽车设想（磁悬浮自动驾驶汽车）（完成人：储沁钰）················································14 3. 创新设计实践··················································································································································15 3.1 背景和需求················································································································································15 3.2 功能分析及定义·······································································································································15 3.3 方案提出····················································································································································16 3.3.1 控制系统与动力系统·······················································································································16 3.3.2 输入及输出系统································································································································18 3.3.3 机械臂及补给系统···························································································································19 3.4 详细设计····················································································································································20 3.4.1 控制系统与动力系统·······················································································································20 3.4.2 输入及输出系统································································································································22 3.4.3 机械臂及补给系统···························································································································23 3.5 可行性及效果评估··································································································································27 3.5.1 成本分析··············································································································································27 3.5.2 实际装配分析····································································································································27 3.5.3 机械臂自由度分析···························································································································27 3.5.4 实际效益分析····································································································································27 3.6 小组分工····················································································································································28 4. 思考和体会·······················································································································································29
创新思维与现代设计作业 1.优秀设计案例分析 1.1案例1：诸葛连弩 1.1.1引言及背景介绍 在生活中的不同棋牌类或影视作品甚至一些电子游戏中都可以看到有一种称为诸葛连弩 的强力的连发弩。其相对于其他古代传统弓箭的显著特点是可连发、威力强大，故引起了我 们的强烈的研究兴趣。对于诸葛弩的设想和复制方向有很多种，我就一种民间及网上最为流 行的一种复制的方向进行一次复制实验，并研究得出了一些结论供参考和讨论。 历史情况：有关诸葛连弩的早期记载主要集中在《三国志》及其注释之中： 《诸葛亮传》中有“亮性长于巧思，损益连弩，木牛流马，皆出其意。推演兵法，作八阵 图，咸得其要。"注引《魏氏春秋》曰：亮作八务、七戒、六恐、五惧，皆有条章，以训厉 臣子。又损益连弩，谓之元戎，以铁为矢，矢长八寸，一弩十矢俱发。“皆出其意，即指诸 葛亮的创意、构思、设计，而由他人具体制作。 以及外国人对于诸葛连弩的评价：中国连发弩一诸葛弩的构造及原理： 拉尔夫爵士在《弩之书》(The Book of Crossbow)第四十九章中将诸葛弩称为“中国 连发弩”，事实上本来这种武器也很可能只是托武侯之名。其构造其实并不神秘，作者通过 详尽的图解和扼要的说明展示了这种简单高效的机械。至于他对其威力的看法，就见仁见智 了。 显然，当时研发这种武器也是有强烈需求的。当时的蜀国军队人数并不是很多，而且分 布非常分散，每一个城池中的守军人数也很有限，故能够使少数人射出尽量多的弓箭在守城 的时候就非常重要了，于是诸葛亮在这种需求环境下完善了元戎弩，从而装备到了蜀军中， 在一段时间内抵御了魏国的猛攻。 下面介绍相关弓弩。首先从弩箭的始祖，即弓箭说起。弓箭是通过人力，将弓弦拉伸， 使得弓体产生了一定的弹性形变，从而积蓄巨大的弹性势能，手松开的瞬间，弹性势能快速 释放，从而将箭矢弹射出去，造成伤害。由这个过程我们不难发现，弓箭的使用对于操作者 来说门槛很高。首先，他要有足够大的力气来拉动弓弦，然后还要保持弓体呈绷紧状态来瞄 准，此时仍然不能放手，也就是手臂仍需要很大的拉力，然后瞄准后射出才能够命中目标， 之后手臂还需要承受一个较大的后坐力。 弓箭中也有一些有趣的分支，比如英国的长弓，通过特殊材质制成的长弓有更大的威 力，同时也对操作者有更高的的臂力要求。长弓的瞄准方式较普通弓箭有一定改善。长弓采 取一个箭管来约束箭矢，类似于现代的炮管和枪管，并且似乎采用了类似子母弹的形式，从 一定程度上优化了命中率，而长弓强有力的弹射也使得射程较普通弓箭更远。 3/30
创新思维与现代设计作业 3/30 1. 优秀设计案例分析 1.1 案例 1：诸葛连弩 1.1.1 引言及背景介绍 在生活中的不同棋牌类或影视作品甚至一些电子游戏中都可以看到有一种称为诸葛连弩 的强力的连发弩。其相对于其他古代传统弓箭的显著特点是可连发、威力强大，故引起了我 们的强烈的研究兴趣。对于诸葛弩的设想和复制方向有很多种，我就一种民间及网上最为流 行的一种复制的方向进行一次复制实验，并研究得出了一些结论供参考和讨论。 历史情况：有关诸葛连弩的早期记载主要集中在《三国志》及其注释之中： 《诸葛亮传》中有"亮性长于巧思，损益连弩，木牛流马，皆出其意。推演兵法，作八阵 图，咸得其要。"注引《魏氏春秋》曰：亮作八务、七戒、六恐、五惧，皆有条章，以训厉 臣子。又损益连弩，谓之元戎，以铁为矢，矢长八寸，一弩十矢俱发。"皆出其意，即指诸 葛亮的创意、构思、设计，而由他人具体制作。 以及外国人对于诸葛连弩的评价：中国连发弩——诸葛弩的构造及原理： 拉尔夫爵士在《弩之书》（The Book of Crossbow）第四十九章中将诸葛弩称为“中国 连发弩”，事实上本来这种武器也很可能只是托武侯之名。其构造其实并不神秘，作者通过 详尽的图解和扼要的说明展示了这种简单高效的机械。至于他对其威力的看法，就见仁见智 了。 显然，当时研发这种武器也是有强烈需求的。当时的蜀国军队人数并不是很多，而且分 布非常分散，每一个城池中的守军人数也很有限，故能够使少数人射出尽量多的弓箭在守城 的时候就非常重要了，于是诸葛亮在这种需求环境下完善了元戎弩，从而装备到了蜀军中， 在一段时间内抵御了魏国的猛攻。 下面介绍相关弓弩。首先从弩箭的始祖，即弓箭说起。弓箭是通过人力，将弓弦拉伸， 使得弓体产生了一定的弹性形变，从而积蓄巨大的弹性势能，手松开的瞬间，弹性势能快速 释放，从而将箭矢弹射出去，造成伤害。由这个过程我们不难发现，弓箭的使用对于操作者 来说门槛很高。首先，他要有足够大的力气来拉动弓弦，然后还要保持弓体呈绷紧状态来瞄 准，此时仍然不能放手，也就是手臂仍需要很大的拉力，然后瞄准后射出才能够命中目标， 之后手臂还需要承受一个较大的后坐力。 弓箭中也有一些有趣的分支，比如英国的长弓，通过特殊材质制成的长弓有更大的威 力，同时也对操作者有更高的的臂力要求。长弓的瞄准方式较普通弓箭有一定改善。长弓采 取一个箭管来约束箭矢，类似于现代的炮管和枪管，并且似乎采用了类似子母弹的形式，从 一定程度上优化了命中率，而长弓强有力的弹射也使得射程较普通弓箭更远
创新思维与现代设计作业 在弓箭后，渐渐出现了弓弩，或者称之为弩机。弩的发射原理基本与弓箭相似，同样通 过弹性形变来积累弹性势能，快速释放以产生杀伤力。但是不同的是，弩机提供了一个支撑 平台，弩机身可以容纳一发箭矢，并且有一个凹槽和触发装置用以固定弩弦。 弩较弓体现出了非常大的优势。首先弩不需要操作者一直保持拉弓弦的拉力，只需要在 上弦的时候拉弦即可，故不仅解放了瞄准时需要提供的拉力，同时因为可以通过手脚并用的 方式上弦，威力大于弓箭。并且在之后的改进和完善中，弩机还提供了一个支撑结构用以支 撑在操作者的肩上，从而用身体，而不是双臂来承受后坐力。无论是威力还是命中率都有很 大的提升。 秦弩是少数可以大规模量产的古代武器。在秦代，秦弩制造的如同现在的自动步枪一样 精密。秦弩综合了植物弹性和动物弹性，即采取皮条和桑木双重弹性势能源，动力更加丰富 稳定。且采取了很多表面工艺，从而减小了箭矢与弩身的摩擦。 背弩是一种暗发弩，又名紧背低头花装弩。弩弓平缚于背上，用绳两条，分套于两后 另一条绳索从弩机连于腰上，弩背之出口处向上。临阵时贯矢于弩，扣弦于弩机之上。隐蔽 性很好，主要用于暗杀。 1.1.2诸葛连弩的机械结构 ①诸葛连弩的机械结构分析 各部分编号详见图1-4中国连发弩。 图1-中国连发弩侧视图 如图1所示：A:连发弩的箭仓。准备发射时其中可存放十到十二支箭，其宽度略大于 弩箭直径以免影响箭下落。B:弩臂，竹制弩干固定其上。C:控制整个连发弩运作的杠 杆，用金属销钉分别与弩臂和箭仓相连接，具体见图4。E:装于弩臂上方，箭仓下方的木 制箭槽，发射时弩箭落入其上的凹槽，与箭仓之间的缝隙是弩弦移动的地方，其后缘缺刻在 发射过程中能勾住弩弦。与箭仓连接成一体。 4/30
创新思维与现代设计作业 4/30 在弓箭后，渐渐出现了弓弩，或者称之为弩机。弩的发射原理基本与弓箭相似，同样通 过弹性形变来积累弹性势能，快速释放以产生杀伤力。但是不同的是，弩机提供了一个支撑 平台，弩机身可以容纳一发箭矢，并且有一个凹槽和触发装置用以固定弩弦。 弩较弓体现出了非常大的优势。首先弩不需要操作者一直保持拉弓弦的拉力，只需要在 上弦的时候拉弦即可，故不仅解放了瞄准时需要提供的拉力，同时因为可以通过手脚并用的 方式上弦，威力大于弓箭。并且在之后的改进和完善中，弩机还提供了一个支撑结构用以支 撑在操作者的肩上，从而用身体，而不是双臂来承受后坐力。无论是威力还是命中率都有很 大的提升。 秦弩是少数可以大规模量产的古代武器。在秦代，秦弩制造的如同现在的自动步枪一样 精密。秦弩综合了植物弹性和动物弹性，即采取皮条和桑木双重弹性势能源，动力更加丰富 稳定。且采取了很多表面工艺，从而减小了箭矢与弩身的摩擦。 背弩是一种暗发弩，又名紧背低头花装弩。弩弓平缚于背上，用绳两条，分套于两后， 另一条绳索从弩机连于腰上，弩背之出口处向上。临阵时贯矢于弩，扣弦于弩机之上。隐蔽 性很好，主要用于暗杀。 1.1.2 诸葛连弩的机械结构 ① 诸葛连弩的机械结构分析 各部分编号详见图 1-4 中国连发弩。 图 1-中国连发弩侧视图 如图 1 所示：A：连发弩的箭仓。准备发射时其中可存放十到十二支箭，其宽度略大于 弩箭直径以免影响箭下落。B：弩臂，竹制弩干固定其上。C：控制整个连发弩运作的杠 杆，用金属揿钉分别与弩臂和箭仓相连接，具体见图 4。E ：装于弩臂上方，箭仓下方的木 制箭槽，发射时弩箭落入其上的凹槽，与箭仓之间的缝隙是弩弦移动的地方，其后缘缺刻在 发射过程中能勾住弩弦。与箭仓连接成一体
创新思维与现代设计作业 图3-中国连发弩的发射机构 图2-中国连发弩背视图 图4-中国连发弩箭仓剖面示图 如图3所示：B:被箭槽后缘勾住的弩弦。D:弩弦前方落入箭槽的弩箭。E:存箭的箭 仓。 连弩的原理和发射过程：发射连弩比发射普通弩简单得多。首先将杠杆向前推，箭仓和 与之一体的箭槽也随之往前，箭槽后缘缺刻向上抬升并自动勾住弩弦。正常情况下弩弦横在 箭槽中央起到阻挡箭仓内弩箭落入箭槽的作用，但当弩弦被勾到箭槽后方后，一支箭在重 力的作用下就会自动落入箭槽。 弩弦对弩箭下落的阻挡作用：要完成发射动作只需将杠杆扳回，在这过程中箭槽与箭仓 就会向后运动并将弩弦也往后拉，弩干弯曲蓄能。拉到尽头的同时箭槽后缘也会开始下坐， 箭槽缺刻下方顶钮露出下方的部分与弩臂接触并被顶起，随之将弩弦顶出缺刻，弩弦前行将 箭槽中的弩箭弹出。这顶钮由硬木制成，一头稍大以防止脱出。第一支箭发射出去以后弩弦 又挡住了第二支箭的下落，开始了新的一轮循环直到箭仓内的弩箭全部发射完毕。 在此之后的数百年中，诸葛弩也曾被改造，优化。明朝的水军也曾使用过诸葛弩，当时 的工程师将诸葛弩放大后直接安装在战船上，从而成为一个稳定的弩箭台，类似于现代战船 的侧弦炮台。由于弩弦的行程大大增加，从而将威力也有显著增加。 ②创新点 首先诸葛连弩似乎是唯一连发的冷兵器。冷兵器时代的远程武器的射频通常是通过人为 加快装填来增快射频。只有连弩是通过纯机械的方式来加速射频，而且是连发，不需要人为 供弹。 其次在于其连杆结构。弩在弓的基础上已经一定程度上缓解了操作者的力量要求，而连 弩在弩的基础上更上一部。连弩的发射机构和上弹机构都是通过连杆响应的，由图可知，这 是一个省力杠杆，拉弦过程更加流畅且轻松，用起来更加得心应手。 5/30
创新思维与现代设计作业 5/30 图 2-中国连发弩背视图 图 4-中国连发弩箭仓剖面示图 如图 3 所示：B：被箭槽后缘勾住的弩弦。D：弩弦前方落入箭槽的弩箭。E ：存箭的箭 仓。 连弩的原理和发射过程：发射连弩比发射普通弩简单得多。首先将杠杆向前推，箭仓和 与之一体的箭槽也随之往前，箭槽后缘缺刻向上抬升并自动勾住弩弦。正常情况下弩弦横在 箭槽中 央起到阻挡箭仓内弩箭落入箭槽的作用，但当弩弦被勾到箭槽后方后，一支箭在重 力的作用下就会自动落入箭槽。 弩弦对弩箭下落的阻挡作用：要完成发射动作只需将杠杆扳回，在这过程中箭槽与箭仓 就会向后运动并将弩弦也往后拉，弩干弯曲蓄能。拉到尽头的同时箭槽后缘也会开始下坐， 箭槽缺刻下方顶钮露出下方的部分与弩臂接触并被顶起，随之将弩弦顶出缺刻，弩弦前行将 箭槽中的弩箭弹出。这顶钮由硬木制成，一头稍大以防止脱出。第一支箭发射出去以后弩弦 又挡住了第二支箭的下落，开始了新的一轮循环直到箭仓内的弩箭全部发射完毕。 在此之后的数百年中，诸葛弩也曾被改造，优化。明朝的水军也曾使用过诸葛弩，当时 的工程师将诸葛弩放大后直接安装在战船上，从而成为一个稳定的弩箭台，类似于现代战船 的侧弦炮台。由于弩弦的行程大大增加，从而将威力也有显著增加。 ② 创新点 首先诸葛连弩似乎是唯一连发的冷兵器。冷兵器时代的远程武器的射频通常是通过人为 加快装填来增快射频。只有连弩是通过纯机械的方式来加速射频，而且是连发，不需要人为 供弹。 其次在于其连杆结构。弩在弓的基础上已经一定程度上缓解了操作者的力量要求，而连 弩在弩的基础上更上一部。连弩的发射机构和上弹机构都是通过连杆响应的，由图可知，这 是一个省力杠杆，拉弦过程更加流畅且轻松，用起来更加得心应手。 图 3-中国连发弩的发射机构
创新思维与现代设计作业 在这在于其重力供弹系统。利用重力的方式供弹，前一发箭矢射出后后一发可以自动填 充，在现代来看，重力供弹虽然并没有弹簧供弹响应快，效率高，但是对于古代的战况和环 境，重力供弹已经能够很大程度上加强射频，且限于加工问题，重力供弹更加实际，且能够 被大规模的加工，装配。 最后诸葛连弩的弹夹系统也是一个创新点。连弩射频很快，意味着消耗箭矢的速度也很 快，如果不能够加速装填过程则提速效果会变差很多。连弩采取的装填方式是通过类似弹夹 的结构，一次性装满整箱箭矢，而装弹夹的过程非常简单，将弹夹的子弹倒入连弩的弹仓的 速度也很快，将一个复杂动作拆分成两个简单动作进行从而大大加快了装填效率。 ③新的问题及改进方案 新的问题总是会伴随着新的设计而来。诸葛连弩的巨大创新也同样带来了很多的问题 首先第一个问题在于箭羽无法使用。因为诸葛连弩采取的是弹仓结构，需要横向的机械 限位来保证箭矢都是竖直排序，从而不会产生多余的干涉影响发射。但这个限位就造成了所 有箭矢都必须穿过限位，从而根本不可能通过箭矢的方式增加箭矢在空中的稳定性。解决方 案则是替换箭矢材质，改变箭矢重心。使用铁箭替代木箭，从而增加质量，相对木箭而言增 加稳定性，不太容易中途受到小的气流扰动突然改变弹道。虽然如此改变一定程度上解决了 稳定性问题，但是过大的质量又造成了另一个问题。 其次有射程较近的问题。过大的质量使得同样的力不能够射出和原来一样远的距离，而 这也是诸葛连弩较难解决的瓶颈性问题。这个限制导致了在实战中诸葛连弩的使用范围有一 定的约束。实战中通常诸葛连弩都用于守城和伏击这类对距离要求不高的火力覆盖型攻击。 守城的时候有较大的高度差来弥补射程问题，而伏击时通常距离也比较近，突然袭来的大量 箭矢也仍然将对目标造成巨大的打击。 再者诸葛连弩命中率较普通弩稍低。普通弩机的原理简单，结构简单，故可以在弩机身 上安装瞄准器，起到辅助瞄准的作用。而诸葛连弩将原本放置瞄准器的地方用弹仓遮挡住 了，瞄准过程较难完成。民间的诸葛连弩复原通常采用无瞄准或者将瞄准器放在弹仓上部解 决。事实上正如前文所说，诸葛连弩为范围覆盖型打击，其实对精准度要求不高。 最后还有杀伤力不够的问题。由于采取了杠杆结构，实际上弩弦能够拉伸的距离被一定 程度上缩小了，故威力不如常规的弩箭。采取的解决方式也比较简单有效，即在箭头涂上毒 药，辅助杀伤。 综上所述问题，我们发现连弩对箭矢的要求其实非常高，而这也是古代没有大量使用诸 葛弩的原因之一。 1.1.3产品分析 ①较同类产品的优势与特点 6/30
创新思维与现代设计作业 6/30 在这在于其重力供弹系统。利用重力的方式供弹，前一发箭矢射出后后一发可以自动填 充，在现代来看，重力供弹虽然并没有弹簧供弹响应快，效率高，但是对于古代的战况和环 境，重力供弹已经能够很大程度上加强射频，且限于加工问题，重力供弹更加实际，且能够 被大规模的加工，装配。 最后诸葛连弩的弹夹系统也是一个创新点。连弩射频很快，意味着消耗箭矢的速度也很 快，如果不能够加速装填过程则提速效果会变差很多。连弩采取的装填方式是通过类似弹夹 的结构，一次性装满整箱箭矢，而装弹夹的过程非常简单，将弹夹的子弹倒入连弩的弹仓的 速度也很快，将一个复杂动作拆分成两个简单动作进行从而大大加快了装填效率。 ③ 新的问题及改进方案 新的问题总是会伴随着新的设计而来。诸葛连弩的巨大创新也同样带来了很多的问题 首先第一个问题在于箭羽无法使用。因为诸葛连弩采取的是弹仓结构，需要横向的机械 限位来保证箭矢都是竖直排序，从而不会产生多余的干涉影响发射。但这个限位就造成了所 有箭矢都必须穿过限位，从而根本不可能通过箭矢的方式增加箭矢在空中的稳定性。解决方 案则是替换箭矢材质，改变箭矢重心。使用铁箭替代木箭，从而增加质量，相对木箭而言增 加稳定性，不太容易中途受到小的气流扰动突然改变弹道。虽然如此改变一定程度上解决了 稳定性问题，但是过大的质量又造成了另一个问题。 其次有射程较近的问题。过大的质量使得同样的力不能够射出和原来一样远的距离，而 这也是诸葛连弩较难解决的瓶颈性问题。这个限制导致了在实战中诸葛连弩的使用范围有一 定的约束。实战中通常诸葛连弩都用于守城和伏击这类对距离要求不高的火力覆盖型攻击。 守城的时候有较大的高度差来弥补射程问题，而伏击时通常距离也比较近，突然袭来的大量 箭矢也仍然将对目标造成巨大的打击。 再者诸葛连弩命中率较普通弩稍低。普通弩机的原理简单，结构简单，故可以在弩机身 上安装瞄准器，起到辅助瞄准的作用。而诸葛连弩将原本放置瞄准器的地方用弹仓遮挡住 了，瞄准过程较难完成。民间的诸葛连弩复原通常采用无瞄准或者将瞄准器放在弹仓上部解 决。事实上正如前文所说，诸葛连弩为范围覆盖型打击，其实对精准度要求不高。 最后还有杀伤力不够的问题。由于采取了杠杆结构，实际上弩弦能够拉伸的距离被一定 程度上缩小了，故威力不如常规的弩箭。采取的解决方式也比较简单有效，即在箭头涂上毒 药，辅助杀伤。 综上所述问题，我们发现连弩对箭矢的要求其实非常高，而这也是古代没有大量使用诸 葛弩的原因之一。 1.1.3 产品分析 ① 较同类产品的优势与特点
创新思维与现代设计作业 诸葛连弩属于弩的变种，作用对象仍为个体，背弩作为暗器使用，应用场景与诸葛弩用 于正面战场并不相同。故能够与之比较的只有普通弩箭和秦弩与之进行合理的比较。 与普通弩相比，诸葛弩的优势由上可得，即高射频，快装填，操作简单。 与秦弩相比，秦弩的优势在于成熟的工艺和精巧的配合方式，相比之下，诸葛弩的稳定 性和射程不如秦弩，理论秦弩射程为250米而诸葛弩射程只有100米不到，但是仍然在射 频和装填效率上有绝对的优势。故攻城和阵地战效率秦弩更高，而守城与伏击仍然是诸葛弩 有绝对优势。 ②优缺点分析 先说缺点。诸葛弩是一种对于古代的加工能力来说比较复杂的结构，能够装备到所有队 伍中实在困难，而到最后也没有一套系统的结构图留存下来也是比较可惜的。而且仍有很多 问题没有办法解决，比如射程问题一直是比较巨大的问题之一，故想诸葛弩有更多用武之 地，可能比较困难。 而优点其实前文已经有提到很多了。诸葛弩所具有的高射频，可操作性和快速装填至今 为止仍是冷兵器的顶尖水准，即使是制造工艺优良的现代弓弩也无法达到10秒20发的高速 射频。 1.1.4展望与设想 ①诸葛连弩在现代环境下的应用场景 随着科技的发展，冷兵器渐渐退出了历史的舞台。但是直到近现代仍有部分地区有使用 过诸葛弩的记载。在中国抗日战争时期以及军阀混战时期仍有人使用。对于当代来说，诸葛 弩也是很好的教学用具，帮助我们了解古代战争史，尤其是三国时代的战争故事。再加上诸 葛弩具有优良的机械结构，也可以被作为优秀的连杆应用案例分析。 其实，虽然冷兵器基本不再使用，但是由于冷兵器相对火器具有无热，无声，无电子辐 射等多方面优点，部分条件下其实冷兵器仍在使用。故对于诸葛弩进行优化，和十字弩一样 增加一些现代的材料和成果，可能会有更加长足的发展。 ②对现代机械设计的启发 处理过程应该模块化，简单化。诸葛弩将弩机所具有的各个功能整合，并融入到了一个 结构中。真正做到了简单高效。此外，诸葛弩巧妙地采取了重力装填，灵活使用大自然的力 量也是亮眼的想法。对于如今的科技水平，更多人习惯采取电动和内燃驱动，很少会想到使 用重力，水流等自然力，而很多时候可以通过利用自然力来简化机械结构。另外，对诸葛弩 的应用场景也很形象地告诉我们应该去为产品寻找合适的使用环境和受众。在同样的需求情 况下也有不同的应用情景，更好地配合应用场景也是需求的一部分。 7/30
创新思维与现代设计作业 7/30 诸葛连弩属于弩的变种，作用对象仍为个体，背弩作为暗器使用，应用场景与诸葛弩用 于正面战场并不相同。故能够与之比较的只有普通弩箭和秦弩与之进行合理的比较。 与普通弩相比，诸葛弩的优势由上可得，即高射频，快装填，操作简单。 与秦弩相比，秦弩的优势在于成熟的工艺和精巧的配合方式，相比之下，诸葛弩的稳定 性和射程不如秦弩，理论秦弩射程为 250 米而诸葛弩射程只有 100 米不到，但是仍然在射 频和装填效率上有绝对的优势。故攻城和阵地战效率秦弩更高，而守城与伏击仍然是诸葛弩 有绝对优势。 ② 优缺点分析 先说缺点。诸葛弩是一种对于古代的加工能力来说比较复杂的结构，能够装备到所有队 伍中实在困难，而到最后也没有一套系统的结构图留存下来也是比较可惜的。而且仍有很多 问题没有办法解决，比如射程问题一直是比较巨大的问题之一，故想诸葛弩有更多用武之 地，可能比较困难。 而优点其实前文已经有提到很多了。诸葛弩所具有的高射频，可操作性和快速装填至今 为止仍是冷兵器的顶尖水准，即使是制造工艺优良的现代弓弩也无法达到 10 秒 20 发的高速 射频。 1.1.4 展望与设想 ① 诸葛连弩在现代环境下的应用场景 随着科技的发展，冷兵器渐渐廿出了历史的舞台。但是直到近现代仍有部分地区有使用 过诸葛弩的记载。在中国抗日战争时期以及军阀混战时期仍有人使用。对于当代来说，诸葛 弩也是很好的教学用具，帮助我们了解古代战争史，尤其是三国时代的战争故事。再加上诸 葛弩具有优良的机械结构，也可以被作为优秀的连杆应用案例分析。 其实，虽然冷兵器基本不再使用，但是由于冷兵器相对火器具有无热，无声，无电子辐 射等多方面优点，部分条件下其实冷兵器仍在使用。故对于诸葛弩进行优化，和十字弩一样 增加一些现代的材料和成果，可能会有更加长足的发展。 ② 对现代机械设计的启发 处理过程应该模块化，简单化。诸葛弩将弩机所具有的各个功能整合，并融入到了一个 结构中。真正做到了简单高效。此外，诸葛弩巧妙地采取了重力装填，灵活使用大自然的力 量也是亮眼的想法。对于如今的科技水平，更多人习惯采取电动和内燃驱动，很少会想到使 用重力，水流等自然力，而很多时候可以通过利用自然力来简化机械结构。另外，对诸葛弩 的应用场景也很形象地告诉我们应该去为产品寻找合弁的使用环境和受众。在同样的需求情 况下也有不同的应用情景，更好地配合应用场景也是需求的一部分
创新思维与现代设计作业 1.2案例二：波音747 1.2.1引言及背景介绍 BBC曾专门为波音747拍摄了一部纪录片，名字叫做《改变世界的飞机》。放眼整个航 空史，除了747，没有一架飞机敢这样称自己了。波音747不仅仅改变了整个航空业，让人 们的出行方式有了翻天覆地的变化；更改变了今后50年的飞机制造业，所有的飞机厂商至 今为止都牢牢地遵循着波音747所制定的标准。而现在在虹桥机场，你依然可以看见翱翔在 天空中的“空中女王“，很难想象747已经是上世纪60年代的产物了，波音747到底有什 么神奇之处呢？ 在美国历史上，有“呼啸的二十年代”的说法，火爆的经济和高涨的人气使二十年代成 为三十年代大萧条前华丽的闪光。对于航空业来说，60年代也是呼啸的年代，60年代民航 客运流量急剧增长，预计涨势将持续到至少70年代。而另一方面，人们也更热衷于跨洲际 的远程旅行。而在当时的主流喷气客机，如波音707，道格拉斯DC8,载客量和航程都非常 有限，满载也只能达成不到170人，而最大航程甚至都不足以从洛杉矶飞到巴黎。波音707 这一级的客机已经不能适应人们以及航空公司日益增长的需要。另一方面，由于客机的载客 量有限，在60年代，“坐飞机”对于许多家庭来说都是奢望，许多人无法负担起高昂的机 票费用，这时候就需要有一个像亨利福特那样的人让飞机的载客量显著提升以降低机票的成 本。 而这个时候出现了两个传奇式的人物，当年称霸航空业的巨头一泛美航空的总裁胡 安特里普，与当时波音公司的总裁比尔艾伦。两人都即将退休，他们决定在退休前玩一会 大的，在两人的一次钓鱼假期中，特里普一个想法油然而生，并告诉艾伦他对于超大型喷气 客机的设想，要求波音为泛美公司制造一款宽体机身、有707两倍大、能搭载400名乘客 的超大型喷气式客机。两人情投意合，1966年，泛美与波音签下了5.25亿美元的合同。特 里普称，这是“人类历史上最强大的和平武器，将和洲际导弹一样载入文明的史册”。这是 当时历史上最大的一笔客机订单，泛美要求波音在1969年底之前交货，波音只有三年时 间，实际设计时间只有28个月。这就是说，波音要在这段时间里完成全新飞机的设计、新 总装厂的筹建、试飞和验证。在很多人持反对意见的情况下，747项目就这样启动了。1965 年立项，1968年底下线，1969年2月首飞，1970年交付，波音一边研发，一边建设厂房， 一边生产原型机，多项工作高度并行，这其中的困难和曲折难以想象。 在波音747研发时，747并不是波音的“宠儿“，甚至只是被当作是一个备选计划。科 学技术大跃进式的疯狂将超音速带入了民航，所有人认为超音速客机才是民航的未来，如果 有了超音速客机，没有人再想要去乘坐亚音速客机。当时在欧洲，苏联都有超音速客机的计 划，美国政府也提出了大胆的SST计划（三倍音速，200座以上的容量），而波音当时的 8/30
创新思维与现代设计作业 8/30 1.2 案例二：波音 747 1.2.1 引言及背景介绍 BBC 曾专门为波音 747 拍摄了一部纪录片，名字叫做《改变世界的飞机》。放眼整个航 空史，除了 747，没有一架飞机敢这样称自己了。波音 747 不仅仅改变了整个航空业，让人 们的出行方式有了翻天覆地的变化；更改变了今后 50 年的飞机制造业，所有的飞机厂商至 今为止都牢牢地遵循着波音 747 所制定的标准。而现在在虹桥机场，你依然可以看见翱翔在 天空中的“空中女王“，很难想象 747 已经是上世纪 60 年代的产物了，波音 747 到底有什 么神奇之处呢？ 在美国历史上，有“呼啸的二十年代”的说法，火爆的经济和高涨的人气使二十年代成 为三十年代大萧条前华丽的闪光。对于航空业来说，60 年代也是呼啸的年代，60 年代民航 客运流量急剧增长，预计涨势将持续到至少 70 年代。而另一方面，人们也更热衷于跨洲际 的远程旅行。而在当时的主流喷气客机，如波音 707，道格拉斯 DC8，载客量和航程都非常 有限，满载也只能达成不到 170 人，而最大航程甚至都不足以从洛杉矶飞到巴黎。波音 707 这一级的客机已经不能弁应人们以及航空公司日益增长的需要。另一方面，由于客机的载客 量有限，在 60 年代，“坐飞机”对于许多家庭来说都是奢望，许多人无法负担起高昂的机 票费用，这时候就需要有一个像亨利福特那样的人让飞机的载客量显著提升以降低机票的成 本。 而这个时候出现了两个传奇式的人物，当年称霸航空业的巨头——泛美航空的总裁胡 安·特里普，与当时波音公司的总裁比尔·艾伦。两人都即将廿休，他们决定在廿休前玩一会 大的，在两人的一次钓鱼假期中，特里普一个想法油然而生，并告诉艾伦他对于超大型喷气 客机的设想，要求波音为泛美公司制造一款宽体机身、有 707 两倍大、能搭载 400 名乘客 的超大型喷气式客机。两人情投意合，1966 年，泛美与波音签下了 5.25 亿美元的合同。特 里普称，这是“人类历史上最强大的和平武器，将和洲际导弹一样载入文明的史册”。这是 当时历史上最大的一笔客机订单，泛美要求波音在 1969 年底之前交货，波音只有三年时 间，实际设计时间只有 28 个月。这就是说，波音要在这段时间里完成全新飞机的设计、新 总装厂的筹建、试飞和验证。在很多人持反对意见的情况下，747 项目就这样启动了。1965 年立项，1968 年底下线，1969 年 2 月首飞，1970 年交付，波音一边研发，一边建设厂房， 一边生产原型机，多项工作高度并行，这其中的困难和曲折难以想象。 在波音 747 研发时，747 并不是波音的“宠儿“，甚至只是被当作是一个备选计划。科 学技术大跃进式的疯狂将超音速带入了民航，所有人认为超音速客机才是民航的未来，如果 有了超音速客机，没有人再想要去乘坐亚音速客机。当时在欧洲，苏联都有超音速客机的计 划，美国政府也提出了大胆的 SST 计划（三倍音速，200 座以上的容量），而波音当时的
创新思维与现代设计作业 2707正是这个计划的宠儿，也是整个波音公司的掌上明珠。作为在二战中积累下大量财富 的航空巨头，波音从1952年便开始进行超音速客机可行性的研究，最早的设计可以追溯到 和波音707同时期的733号设计。在那个以飞得越快为荣的年代，超音速客运被视为民用 航空业的未来，各大民用航空公司都不想丢失此块市场。波音把最好的研发人员，最好的技 术，和最多的钱都投向了2707。而波音747则更像是一个备选方案，一旦超音速飞机被研 制出来，747将被降级为货用。 但现在我们知道，2707计划最终的一切结果只是一个模型。随着协和客机开始测试，人 们逐渐意识到了大型客机突破音障所带来的巨大噪音污染，超音速客机被禁止在大陆上超音 速巡航。外加上超音速客机惊人的耗油量，使得其只有跨北大西洋一条航线可飞，还未服役 便已缩水的市场无法再为超音速客机高昂的维修保养费正名，航空公司的订单也因此直线下 滑。而另一方面，最终由于前景暗淡，外加2707的研发比预计延迟两年且严重超支，美国 国会最终在1971年5月20日终止了对“国家超音速运输项目”的资金提供，波音2707的 研发彻底宣告终结。而2707的超音速兄弟们，图-144只经过短暂的航线运行就撤出了航班 服务，只有协和客机惨淡经营了30年，最终因为不靠谱的DC10上的一块铁片，也葬送了 自己的前程。 另一方面，美国空军在1963年启动巨型运输机CX-HLS计划，要求新一代运输机的最 大载重达到80吨以上，载重52吨时航程达到9,200公里以上，大大超过刚开始服役的C- 141的能力上限。波音、洛克希德和道格拉斯最终获得资格竟标，通用电气、普拉特惠特尼 获得对发动机的竟标资格。波音的CX-HLS方案，日后成为波音747的基础。CX-HLS最初 设计类似于双层737，不过出于需要改装运货考虑波音的设计师们认为双层窄货舱不如单层 宽货舱装卸方便，于是乎“并列版737”的747号设计方案诞生了。 有心栽花花不活，无心插柳柳成荫。原本的宠儿2707胎死腹中，波音为此吃进了苦 头，公司一度走到了破产的边缘。而原本作为备选方案的747却在日后大受好评，成功把波 音从生死存亡的边缘拉了回来，也为波音后续客机的研发指明了道路。波音不再像研发 2707那样一昧地追求高大上但并不一定有实际意义的性能，转而从经济和实用的角度研发 下一代民航客机，后续的737的改进，双引擎客机的极致777和服役不久便大受欢迎的 787,均是这一理念下的产物。 1.2.2创新设计 ①首创的宽体机身设计 747是绝对创新的产品，是同时期所有产品的两倍大小以上，但是如何设计这么大的客 舱呢？泛美最初希望波音双层客舱的设计，相当于把两个波音707的机身叠在一起，泛美公 9/30
创新思维与现代设计作业 9/30 2707 正是这个计划的宠儿，也是整个波音公司的掌上明珠。作为在二战中积累下大量财富 的航空巨头，波音从 1952 年便开始进行超音速客机可行性的研究，最早的设计可以追溯到 和波音 707 同时期的 733 号设计。在那个以飞得越快为荣的年代，超音速客运被视为民用 航空业的未来，各大民用航空公司都不想丢失此块市场。波音把最好的研发人员，最好的技 术，和最多的钱都投向了 2707。而波音 747 则更像是一个备选方案，一旦超音速飞机被研 制出来，747 将被降级为货用。 但现在我们知道，2707 计划最终的一切结果只是一个模型。随着协和客机开始测试，人 们逐渐意识到了大型客机突破音障所带来的巨大噪音污染，超音速客机被禁止在大陆上超音 速巡航。外加上超音速客机惊人的耗油量，使得其只有跨北大西洋一条航线可飞，还未服役 便已缩水的市场无法再为超音速客机高昂的维修保养费正名，航空公司的订单也因此直线下 滑。而另一方面，最终由于前景暗淡，外加 2707 的研发比预计延迟两年且严重超支，美国 国会最终在 1971 年 5 月 20 日终止了对“国家超音速运输项目”的资金提供，波音 2707 的 研发彻底宣告终结。而 2707 的超音速兄弟们，图-144 只经过短暂的航线运行就撤出了航班 服务，只有协和客机惨淡经营了 30 年，最终因为不靠谱的 DC10 上的一块铁片，也葬开了 自己的前程。 另一方面，美国空军在 1963 年启动巨型运输机 CX-HLS 计划，要求新一代运输机的最 大载重达到 80 吨以上，载重 52 吨时航程达到 9,200 公里以上，大大超过刚开始服役的 C- 141 的能力上限。波音、洛克希德和道格拉斯最终获得资格竟标，通用电气、普拉特惠特尼 获得对发动机的竟标资格。波音的 CX-HLS 方案，日后成为波音 747 的基础。CX-HLS 最初 设计类似于双层 737，不过出于需要改装运货考虑波音的设计师们认为双层窄货舱不如单层 宽货舱装卸方便，于是乎 “并列版 737” 的 747 号设计方案诞生了。 有心栽花花不活，无心插柳柳成荫。原本的宠儿 2707 胎死腹中，波音为此吃进了苦 头，公司一度走到了破产的边缘。而原本作为备选方案的 747 却在日后大受好评，成功把波 音从生死存亡的边缘拉了回来，也为波音后续客机的研发指明了道路。波音不再像研发 2707 那样一昧地追求高大上但并不一定有实际意义的性能，转而从经济和实用的角度研发 下一代民航客机，后续的 737 的改进，双引擎客机的极致 777 和服役不久便大受欢迎的 787，均是这一理念下的产物。 1.2.2 创新设计 ① 首创的宽体机身设计 747 是绝对创新的产品，是同时期所有产品的两倍大小以上，但是如何设计这么大的客 舱呢？泛美最初希望波音双层客舱的设计，相当于把两个波音 707 的机身叠在一起，泛美公
创新思维与现代设计作业 司认为这样做能让飞机看上去像豪华游轮一样非常有美感。起初，波音747也是从双层客舱 开始规划的。但随着工程师画出数百种双层客舱方案的草图，萨特和他的团队发现，这一方 案难以满足FAA规定的90秒全机乘客紧急撤离的规定。双层客舱设机会让飞机相对其重量 显得较短，而相比机身的长度，机翼又显得过宽，在这种情况下上层客舱的充气滑梯难以绕 开机翼，另一方面上层客舱离地面太远，当乘客发现自己必须从如此高大的滑梯逃生时，会 吓得不知所措。 最终，萨特和团队决定干脆先画一个单层机身，用来与双层设计对比，找出解决问题的 办法。等到工程师画出那个可以并排放置10个经济舱座椅的双通道机身，人们发现载荷、 逃生、载客量和航程等几乎所有的问题都得到了解决。而双通道机身（宽体机身）的概念也 诞生了。相对于单通道机身，不仅容量更大，乘客们的舒适度也得到了显著的提升。至今为 止，所有的民用客机也都沿袭着窄体/宽体客机的原则，无论是波音自己还是空客，因为宽 体机身的概念，几乎是没有任何瑕疵的。 ②独特的“鹅包头“设计 之前说过，波音747在研发初期仅仅是个公司中的备选方案，时刻要面临着被降级作为 货机，所以波音最初是把波音747按货机设计的，日后亚音速客机不再有市场时，可以容易 地转为货机，运载刚开始流行的航空集装箱。波音747的原型CX-HLS的机首球锥本来就是 一个可以整体向上掀起的艏门，可以方便从机鼻处打开舱门装卸货物。用作客机时，当然就 简化成固定的机首球锥了。为了保持货舱的畅通和完整，驾驶舱移到了机鼻上方的上层甲 板，并在其后设有机组人员休息室。至此，世界上最易识别的飞机诞生了，而因为这个隆起 “鹅包头“，让747成了优雅的”空中女王“，相比较A380的”肥宅“设计，747显得格 外秀气，研制秒杀一切。 讽刺的是出于运货考虑而上移的驾驶舱为机鼻处留下了宝贵的私密空间，由于没有机务 人员的打扰，大量购买747的航空公司将机鼻处设为头等舱，并深受乘客欢迎。起初，“鹅 包头“在波音747-100，-200上仅仅是被当作驾驶舱以及休息室，而在-300之后，波音进 一步压榨了这个当初的设计，加长二层，让第二层延伸出了独立的客舱，增加了载客量。 而在另一方面，这个设计的天才之处，就是充分利用了跨声速飞行的“面积律”效应。 跨音速面积律是美国科学家惠特科姆于1952年首次提出来的。他指出：飞行器的飞行速度 接近1倍音速时，零升力波阻是飞行器横截面积分布的函数，而且近似等于具有相同横截面 积分布的旋成体的零升力波阻。因此可根据最小波阻旋成体的截面积分布来调整飞行器的横 截面积，以减小波阻。具体的应用是缩小机翼、尾翼与机身连接区的机身横截面积，做成向 内凹的形状，俗称“蜂腰”形机身。波音747飞机是高亚音速巡航，为了减少波阻，提高飞 行效率，进而采用了“鹅包头”设计。鹅包头在机翼开始段逐渐减小，从而保证机翼所在机 身截面积和鹅包头处截面积一致。 10/30
创新思维与现代设计作业 10/30 司认为这样做能让飞机看上去像豪华游轮一样非常有美感。起初，波音 747 也是从双层客舱 开始规划的。但随着工程师画出数百种双层客舱方案的草图，萨特和他的团队发现，这一方 案难以满足 FAA 规定的 90 秒全机乘客紧急撤离的规定。双层客舱设机会让飞机相对其重量 显得较短，而相比机身的长度，机翼又显得过宽，在这种情况下上层客舱的充气滑梯难以绕 开机翼，另一方面上层客舱离地面太远，当乘客发现自己必须从如此高大的滑梯异生时，会 吓得不知所措。 最终，萨特和团队决定干脆先画一个单层机身，用来与双层设计对比，找出解决问题的 办法。等到工程师画出那个可以并排放置 10 个经济舱座椅的双通道机身，人们发现载荷、 异生、载客量和航程等几乎所有的问题都得到了解决。而双通道机身（宽体机身）的概念也 诞生了。相对于单通道机身，不仅容量更大，乘客们的舒弁度也得到了显著的提升。至今为 止，所有的民用客机也都沿袭着窄体/宽体客机的原则，无论是波音自己还是空客，因为宽 体机身的概念，几乎是没有任何瑕疵的。 ② 独特的“鹅包头“设计 之前说过，波音 747 在研发初期仅仅是个公司中的备选方案，时刻要面临着被降级作为 货机，所以波音最初是把波音 747 按货机设计的，日后亚音速客机不再有市场时，可以容易 地转为货机，运载刚开始流行的航空集装箱。波音 747 的原型 CX-HLS 的机首球锥本来就是 一个可以整体向上掀起的艏门，可以方便从机鼻处打开舱门装卸货物。用作客机时，当然就 简化成固定的机首球锥了。为了保持货舱的畅通和完整，驾驶舱移到了机鼻上方的上层甲 板，并在其后设有机组人员休息室。至此，世界上最易识别的飞机诞生了，而因为这个隆起 “鹅包头“，让 747 成了优雅的”空中女王“，相比较 A380 的”肥宅“设计，747 显得格 外秀气，研制秒杀一切。 讽刺的是出于运货考虑而上移的驾驶舱为机鼻处留下了宝贵的私密空间，由于没有机务 人员的打扰，大量购买 747 的航空公司将机鼻处设为头等舱，并深受乘客欢迎。起初，“鹅 包头“在波音 747-100，-200 上仅仅是被当作驾驶舱以及休息室，而在-300 之后，波音进 一步压榨了这个当初的设计，加长二层，让第二层延伸出了独立的客舱，增加了载客量。 而在另一方面，这个设计的天才之处，就是充分利用了跨声速飞行的“面积律”效应。 跨音速面积律是美国科学家惠特科姆于 1952 年首次提出来的。他指出：飞行器的飞行速度 接近 1 倍音速时，零升力波阻是飞行器横截面积分布的函数，而且近似等于具有相同横截面 积分布的旋成体的零升力波阻。因此可根据最小波阻旋成体的截面积分布来调整飞行器的横 截面积，以减小波阻。具体的应用是缩小机翼、尾翼与机身连接区的机身横截面积，做成向 内凹的形状，俗称“蜂腰”形机身。波音 747 飞机是高亚音速巡航，为了减少波阻，提高飞 行效率，进而采用了“鹅包头”设计。鹅包头在机翼开始段逐渐减小，从而保证机翼所在机 身截面积和鹅包头处截面积一致