直升机发展史

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第一节 绪论人类的航空发展史始于十六世纪，早期观察鸟类的飞行，人类梦想着有朝一日能像鸟类一般自由自在的遨游于天空。自然地，由观察鸟类飞行所得的现像，引导着早期航空的发展。鸟类的飞行大底上可划分为三个阶段：起飞，飞行及降落；而起飞亦可分为两种：跑步起飞和跳跃起飞；而飞行亦可分为两种：前进飞行和空中停留。一开始，人们想利用可上下移动的翅膀靠着其运动而如鸟类般的飞行，但是此一构想除了玩具外并无法真正地让人类飞上天空。
虽然如此，人类并不因此而放弃，经过长期的努力终于在十九世纪发明了固定翼的飞行机器，此即目前大家所熟悉在运输上扮演非常重要角色的飞机。而飞机的发明虽然让人类可以飞上天空，但这只能仿真鸟类的跑步起飞以及前进飞行。对于另外的跳跃起飞及空中停留的现像却一直无法达成。但当时航空的先驱们并不因此而停止，他们晓得如果要完全的了解飞行的现像，必须解决在无前进速度下空中的停留以及在限制的环境下垂直地起飞和降落。而此方向的探讨一直持续到直升机的开发。
当时研究直升机的他们所面临的最大问题有三：（1）降低机身结构及引擎的重量，以便飞行器有足够剩余的升力可供使用；（2）抵消因主旋翼转动时所产生的扭力；和（3）飞行时如何操控。降低重量主要朝着利用较轻的材料和提高引擎的效益，亦即提高引擎所能提供的有效功率和引擎的重量比着手，前者导致铝合金的使用和最近复合材料的使用，而后者因限于早期只有往复式引擎而无法有突破性的进展，一直到后来涡轮引擎的发明才有进一步的发展。其次为克服旋翼所产生的扭力，结果导致目前所能看到的各种不同的直升机外型，如主尾旋翼、横向双主旋翼、前后主旋翼、同轴上下旋翼等。最后对于飞行的操控则导至目前主旋翼的通用型态，包括翼插梢及翼切面集合倾角（collective pitch）和循环倾角（cyclic pitch）的控制。所谓集合倾角即同时改变所有翼片的倾角来达到不同升力的效果，此时升力垂直于旋翼旋转平面。另外旋翼循环倾角即翼片倾角随着旋转翼的转动做周期性的改变，而其功用在于旋翼的升力随着翼片旋转时的位置不同而改变，使得旋翼的旋转平面由水平往侧边倾斜，造成旋转翼之升力由垂直向上往旁倾斜，因此有水平的分量来拉直升机做水平的飞行，如果其往前倾斜，则直升机亦往前飞行。

第二节 直升机概念的萌芽最早直升机的概念可以追溯到前（B.C. 400）中国已有的竹蜻蜓，竹蜻蜓包含一螺旋桨装在一根垂直轴上，人们以手转动此轴即可使竹蜻蜓升空飞行，这可能是人类最早的概念直升机。
但是此一概念并没有继续的发展，一直到十五世纪，达芬奇（Leonardo de Vinci）绘出他所认为飞行的机器，在图中他建议以旋转一绕垂直轴的螺旋面(双旋翼直升机概念鼻祖)来达到垂直的飞行。
达芬奇的直升机设想，与竹蜻蜓

                               
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在十八世纪末期，Launoy 和 Bienvenue 制造了一架可自行起飞的旋转翼玩具。在 1796年英格兰的George Cayley 公爵制造了一些成功的直升机模型（右图），其中一架飞到27米高。在 1842年英格兰的 W. H. Phillips 制造一以蒸气推动的模型直升机重 10千克。

                               
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在此必须提到一个人名叫 Ponton D'Amecourt，他相信飞行的可能，于 1863年创造了直升机（helicopter）这个字，根据其定义直升机即螺旋状的机翼，此机翼绕着一轴旋转，如果此轴垂直则机翼沿着轴垂直上升。他制造一以蒸汽引擎推动的模型，为了减轻重量他以铝材料建造蒸汽缸，虽然在当时人类并未发现铝材料；而为了抵消旋转时所产生的扭力，他利用两个相反方向旋转的共轴螺旋桨：
但是此模型所产生的升力并无法令模型升空。因而这些先驱者开始研发可行的引擎，可以提供足够的动力。
终于在 1877年意大利的 Enrico Forlanini 教授以一个四分之一马力的蒸汽引擎成功地使一重八千克的模型飞行二十秒，最高达到十二米。十年以后于 1887年，法国的 Gustave Trouve 成功地以电动引擎来推动他的模型。 1880年美国的爱迪生先生制造一螺旋桨的测试台并以马达来转动螺旋桨。由此认识到直升机所需要的是一很轻的引擎且能提供大量的功率－即重量对功率的比为 1 to2 kg/hp，而当时的蒸汽引擎并不适合直升机的飞行，所以他开始从事引擎的开发。于实验室里，他利用棉火药作为引擎的燃料，但经过一次严重的爆炸而放弃。其后经过很多年的模型尝试，一直到了二十世纪初期，才有人开始尝试一些较大且可携带飞行员的直升机。而飞机开发的成功，对直升机的先驱们造成很大的冲击，他们不止努力地急起直追，一些飞机上使用的零件及概念亦被引用到直升机上，如螺旋桨、引擎及垂直尾舵等。
第三节 早期直升机的发展大约在1900年，以汽油为燃料的往复式内燃机开始问世，使得飞机的飞行成真，同时人们亦开始利用在直升机的发展上。于1904年法国 Renard 制造一架横向双主螺旋桨直升机以一双缸引擎推动（下图），同时他利用翼片扑动插梢（flap hinge）来解决因翼片升力所造成螺旋桨轴毂的力矩问题。

                               
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1907 法国 Brequet-Richet 建造了一架重 578千克 40 匹马力，有四个主螺旋桨其直径为 8.1米的直升机。这是第一架由驾驶员飞行的直升机，但因操控的问题，试飞时由四个帮手抓住机身且只做有限度的飞行，停在空中约一分钟离地0.6米。虽然如此，但他是第一个了解到需要在螺旋桨片靠近轴的部位，以活节的方式（articulated）来解决前进飞行所造成升力不对称的问题，而此种方法一直沿用至今。同年十一月三日法国 Paul Cornu 驾驶自制的直升机，而这也是飞行史上第一架真正只由飞行员操作飞行的直升机：
在其1908年的陈述中他建造两个转向相反直径 6米的螺旋桨装在一以铁管制的 V 型机身上，机身中心位置装有飞行员座位及一二十四马力的引擎，透过滑轮及皮带转动前后螺旋桨，为了达到方向控制，在螺旋桨下方各装一平面，透过控制平面的倾斜角度，利用螺旋桨的下洗流方向来达到直升机的方向控制。这一架直升机总重203千克飞行员 57千克共260千克，于十一月十三日的试飞中离地0.3米空中停留约20 秒，试飞时为了防止无法控制，直升机以绳索绑住以防止上升过高。但因些机械及控制的问题，最后于一次试飞中，此架直升机因高度振动而破坏。
1909年美国 Emile 和Henry Berliner 父子建造了一架同轴双螺旋桨以两个引擎带动的直升机，没有以缆线绑住的情况下成功地试飞。
其后在1922年他们建造了一架横向双螺旋桨的飞行机器，在此不用直升机这个名辞，因为此机并无空中停留的能力，他们将螺旋桨相对于机身往前倾斜，利用螺旋桨产生的升力在水平方向的分量来前进飞行。
1912年苏联 Yuriev 建造了一架原型机重200千克（下图），这是世上第一架只有单一主螺旋桨配上一垂直反扭力螺旋桨。而此设计即目前最常见的型式。因为经济问题再加上第一次世界大战及苏联革命，他停止继续研究。

                               
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后来于1923年 Emile Berliner 以此一设计申请专利。1916年澳大利 Petroczy 和 Van Karman 建造一共轴双螺旋桨直升机重 815千克，螺旋桨直径 6米以一 120马力的引擎带动，为维持其稳定性以缆线绑在地上，此机试飞时离地 49米，但在第十五次降落时坠毁。
在第一次世界大战前后，因战争需要高性能的飞机，较佳的引擎被开发出来，直升机所面临功率不足的问题迎刃而解。有了足够的动力令直升机起飞，先驱们开始可以集中精力在直升机稳定性及控制性的问题上加以探讨。为解决控制稳定的问题，一些以前直接引用飞机的概念有了进一步的修正，如不再以垂直尾舵的方式来控制方向而改以翼面循环倾角和以旋转翼来取代螺旋桨等。旋转翼与螺旋桨最大的不同在其刚性的设计，旋转翼为柔性设计，允许翼片大量的位移及变形。反之螺旋桨则为刚性设计只允许少量的变形。
第一次大战结束的几年后，有三位直升机制造者竞相地号称其完成真正的飞行。事实上他们试飞的日期相隔不久，且各自有其破当时直升机第一次飞行的记录和对直升机的发展有所贡献。兹将他们的事迹分别类举：
I. Pescara 在第一次世界大战结束时，一位阿根廷（Argentina）的工程师 Marquis Pescara 建造一架包含两个转向相反的共轴旋转翼直径 6.4米，每一旋转翼有上下两个平面，每一平面有四个翼片：
此架直升机经过几次的试飞及修改后具有 180马力，在1923年十一月十九日破当时飞行距离的记录飞行了736米。他是第一位有效地以扭转翼片的方法来控制旋转翼的循环倾角，同时他亦是第一位了解直升机具有自动旋转降落（autorotation）能力的人。在此之前，人们都相信直升机如飞机般只有在引擎运转时才能飞行，当引擎停止时直升机会像飞机一样掉下来。由他的陈述中得知：当没有引擎推动的情况下降落，若将翼片倾角降低至非常小可使旋转翼继续旋转，如风车一般。当下降至一程度时，将翼片倾角增加产生升力，其作用就有如煞车一般减低直升机下降的速度，同时可以提供直生机安全降落所需的升力。
II. De Bothezat一位苏联的科学家于苏联革命时被迫逃离母国到美国，于1916年他写了一本直升机旋翼理论的书。在1921年六月一日他和美国陆军签署一项合约，帮军方发展一架可升高至 100米且可在引擎转速下降情况下降落的直升机，此为美国军方第一次直升机订单的合同。此机为一交叉型铁管梁组成的机身，于梁的四端各有一六个翼片直径 6.6米的旋转翼，旋转翼片的倾角则由一飞轮控制，全机重 1610千克配以一200马力的引擎（下图）。
当前后两组旋转翼的翼片倾角不同时，造成前后的升力差，由此可达到机身的纵向控制；左右两侧旋转翼的翼片倾角不同时，造成左右升力差，由此可达到机身的翻滚控制。而此设计更利用翼片负倾角来达到自动旋转降落的要求。于1922年十二月十八日在一些人的见证下，在高度约两米空中停留，但于飞行过程中，机身的水平方向无法有效控制以致机身往侧向移动，因此在空中停留了一分四十二秒后降落。而此计划亦因其无法达到合约目标及考虑当任一旋翼故障时的非对称形控制问题而取消。

                               
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III. Oehmichen一位法国工程师 Etienne Oehmichen 在1920年建造一架类似 Paul Cornu 所造的直升机，机身由一水平梁构成，于梁的两端各有一双翼片旋转翼，其直径 6.4米由一20 到25马力的引擎透过皮带来带动。但此机升力不足，他以缆线将一充满70 立方米的氢气球悬吊在上机身架子：
气球不只提供其升空所需不足的升力，同时气球的阻力亦有稳定直升机的功能。但此机并非真正的直升机，他给其一个新的名辞叫“helicostat”，意即静升力辅助直升机。当时直升机发展趋势是朝真正直升机，因此他开始着手建造真正的直升机，而 helicostat 的观念后来被用来吊起很重的对象而非用来稳定直升机。他所建造的直升机类似 Bothezat 所建造的有四个旋转翼，另外他又加上八个小螺旋桨用来推进及控制，所有系统由一 120马力的引擎带动，总重大约900千克，如下图：
在1923年五月完成超过五分钟的空中停留，次年五月四日完成 1 公里长的绕圈飞行，飞行最高点为 16米。
一直到1934年，直升机的发展并无显著的进步，此一时期亦有些先驱从事直升机的开发。英国 Louis Brennan （1924－1925年）建造了一架直升机在其旋转翼的自由端装有螺旋桨，以螺旋桨的推力来转动旋转翼。而旋转翼相对于旋转轴则可自由旋转，因此无因旋转翼旋转所造成的扭力问题。荷兰 A.G. von Baumhauer （1924－1929年）开发一直升机，有一双翼片直径 15米的主旋转翼，由一200马力的转子引擎带动，同时以一由另一个 80马力转子引擎带动的垂直尾旋转翼，用来平衡主旋转翼所产生的扭力。主旋转翼装有扑动插梢允许翼片上下翻转，但同时以一缆线连接两个翼片形成一翘板式的旋转翼（teetering rotor），所谓翘板式旋转翼即一个翼片如果上升则另一翼片则下降，此型的旋转翼通常使用在双翼片旋转翼上。翘板式旋转翼其二翼片亦可为连续性的构造以单一扑动插梢连接于转轴上。
相同的观念用于多翼片旋转翼时称为吊架式旋转翼（gimballed rotor）再利用一片斜盘板（swashplate）的倾斜改变翼片的循环倾角来达到控制的目的，此发明得到法国及英国的专利权。意大利 Corradino d'Ascanio （1930年）建造一同轴双旋转翼直升机。旋转翼为双翼片直径 13米，由一95马力的引擎带动，翼片装有扑动插梢及翼片倾角转动铰炼（feathering hinge），另外他利用翼片尾端的控制片来改变翼切面外形，进而改变空气动力的特性来达到翼片集合倾角及循环倾角的控制，而控制片则由飞行员利用缆线及滑轮来操控，于垂直飞行时，控制片同时移动以增加或减小全部翼片的倾角，藉以改变直升机的升力，水平飞行时控制片则做周期性的改变。其飞行记录－高度 18米、飞行时间 8 分 45秒及距离 1078米则保持了好几年。
美国 M. B. Blecker （1926－1930年）建造了一架有四片类似机翼的旋转翼直升机，为克服扭力问题，于每个机翼上装有一螺旋桨，全部机翼则绕旋转翼的主轴自由旋转，动力则透过齿轮和炼条由一装于机身的 420马力引擎带动，控制则由机翼上附加的空气动力板面及机身尾舵的移动来达到。此机经过多次的测试，但因振动及不稳定的问题而被放弃。Hellesen-Kahn （1926年）建造了一架有两个旋转机翼的直升机，机翼长度 6.5米，全部机翼面积大约20 平方米。在每个机翼中间装置有螺旋桨由一75马力的引擎带动，因而使机翼绕着轴毂旋转，于试飞时因离心力及回转力的问题无法解决而放弃。于法国及英国 Isacco（1929年）采用类似的设计， 如下图：
两翼各由一个 32马力的引擎来推动装置于翼端的螺旋桨，由两机翼组成的旋转翼直径 12.5米，另外他于机鼻部份加装一引擎及螺旋桨做为水平推进的力量。可是置于翼端的引擎因机翼旋转而承受巨大离心力，使得其供油及润滑非常困难，因而此计划经过几次试飞后就停止了。匈牙利 Oscar de Asboth （1928－1930年）建造一架共轴双旋翼直升机， 如下图：
其旋转翼直径 4.30米由一 130马力引擎带动，翼片由柔性木质材料制成。飞行员经由一操纵杆及脚踏板控制装于机身的六片绕水平轴回转的反射板来稳定飞行，反射板的功用在于反射旋转翼旋转时所造成的下洗流（downwash）而产生稳定的力量。他后来又于机身加装一水平螺旋桨推进器。在非常平静的天气下，此机非常的稳定但也非常不容易操控，其控制反应非常的缓慢。究其原因，其旋转翼有很高的受力约为每平方米有 34千克，因而其下洗流的速率很大。但如果在不稳定的天气或快速前进的情况下飞行，因下洗流到达反射板的量改变，此机可能无法如试飞时稳定。在比利时 Florine （1930－1933年）建造一双旋翼直升机，不同于其它先驱们所造的，其两个旋转翼的转向相同，此二旋转翼各往不同的方向倾斜，由此二旋转翼升力的水平分量形成一力偶来克服扭力的问题。全机总重950千克，由一200马力的引擎带动。于1933年十月非正式地打破由 Ascanio 所保持的飞行纪录，飞行九分五十八秒。
同一时期苏俄的气动力与水动力研究中心（ZAGI），于1928年成立垂直飞行部门，由 G.H. Sabinin 主持直升机的发展计划，其第一架直升机（ZAGI 1 A）以铁管做成机身，主旋转翼有四个翼片刚性地固定在旋翼转轴轴毂，由两个 120马力的引擎带动，此为直升机史上第一架双引擎直升机。另外有两个双翼片辅助旋转翼，各装置在机身的前后部来控制飞行。经过一连串试飞后，此机在一次下降时因引擎超速而损坏。而其第二架直升机除了主旋转翼外基本上和第一架相同，其为一个三翼片固定于旋翼转轴轴毂，直径 10米的旋转翼，另外有三个较短的翼片（直径7.8米）装置于长翼片间以循回倾角来控制飞行。在1934年其非正式的飞行记录为：每小时20 公里的飞行速率、飞行距离为700米、最大高度为 40米和最长时间 13 分钟。
自从 Oehmichen 于1924年创造了高度纪录（16米）后，十年间直升机的发展基本上并无多大的进展。但同一时期，另外一种飞行机器－自旋机（autogyro）却发展的相当迅速，到了1934年其技术已到了成熟的阶段。在此提到自旋机的主要原因是自旋机的技术后来被运用到直升机上，且在直升机发展上扮演一不可抹没的角色。而所谓的自旋机一开始的概念是运用旋翼自动旋转降落的能力来提供飞机于低速时和飞行失去动力时的飞行安全，因此最原始的自旋机即在飞机上加装一旋翼，为利用其自动旋转降落的功能，此旋翼为无动力式可自由旋转，也因此自旋机并无垂直升飞行的能力。后来亦有人于自旋机的旋翼加上动力，于地面上先令旋翼在无翼片倾角时超速转，以储存大量的动能，当飞行员突然增加翼片倾角时可将自旋机升空，此方法即所谓的跳跃升空（jump take-off）。西班牙的 Juan de la Cierva 于1920年到1930年间发展的，同时他亦是创造“autogyro”名辞的人。
Juan de la Cierva 于1919年设计一架飞机，靠近地面飞行时因失速而坠毁。引发他对飞机具有低速起飞及降落的兴趣，而飞机具低速起飞及降落的主要关键在于是否能设计一于低速下有高升力低阻力的机械。在旋转翼模型的风洞实验中，他得知在无动力的情况下，如果旋转翼往后倾斜，甚至在低速情况下亦有高升力低阻力的效用，且最好的结果是于低速下旋转翼有些许的正倾角。在1922年他将一五个翼片的旋转翼装置在飞机上，一开始翼片刚性地固定在旋转翼轴毂。于前进飞行时，飞机因旋转翼升力的不对称而有向旁边翻落的倾向，因此他改用较柔性的棕榈材料做成的翼片来改善问题，如此发现成功的飞行在于柔性的翼片的使用，而这个结果令他在往后的设计改用活节式旋转翼（articulated rotor）。而且他亦是第一个成功的运用翼片扑动插梢于旋转翼飞行器上的人。下图为该型号模型。

                               
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同时他学习到为避免高度的振动，于翼片前后移动的方向须加一吸振器（lag damper），其后吸振器成为避免直升机地面共振（ground resonance）不可欠缺的装置。而所谓的地面共振即当直升机停在地面而旋转翼旋转时，翼片在前后方向移动的惯性力造成转动轴上一周期性的水平力作用于机身上，如果此力的频率与机身包括起落架的频率相同时，机身的反应会增加很快，一般于几秒钟内即可将全机摧毁。在1923年他将一四个具有扑动插梢翼片的旋转翼装置在飞机上。旋转翼直径9.8米由一具 110马力引擎带动，而自旋机的飞行控制则完全利用飞机的空气动力表面，飞机原有的螺旋桨则用来推进自旋机，此种结合使他得到非常满意的飞行结果，展现出具有直升机的自动旋转降落的功能。
之后他再建造一架自旋机，其旋转翼直径为 11米以一 100马力的引擎带动。于1925年在英国皇家飞机航空局（Royal Aircraft Establishment）的飞行表演中非常成功的展出，而此亦一般所称 Cierva 第一架成功的自旋机。也因为这次的表演激励了英国早期对旋转翼的分析。同年他于英国成立制造自旋机的公司，在往后的十年中大约有 500 架由其公司或其授权的公司生产。于1927年的一次飞行意外中自旋机坠毁，经过探讨后发现因翼片扑动所导致很高翼片于旋转平面前后运动的力量，因此翼片再加上一前后运动插梢（lag hinge）以除去因翼片前后运动时所产生的弯矩，而活节式旋转翼到此完全发展成功且一直沿用至今。到了1932年他以直接控制旋转翼转动轴相对于机身的倾斜来操控自旋机的纵向及横向飞行，取代了原本于低速时并不很有效的方法即以控制飞机气动表面的方法来操控。1935年英国 Raoul Hafner 利用控制翼片循环倾角的方法来使旋转翼之旋转平面的倾斜，而取代了直接使旋转轴倾斜的方法。另外在美国 E. Burke Wilford 也建造一架自旋机，亦以翼片循环倾角的方法来控制。但其不同于一般自旋机的地方在于旋转翼为无插梢式旋转翼（hingeless rotor），其翼片运动所产生的力量由翼片里的梁来承受而非以插梢消除。
到了1935年自旋机的发展阶段已几乎完成，其发展进展领先直升机的进展，主要原因在于其旋翼不需动力或只需很少的动力即可达到低速飞行、起飞及降落的目地，在此情况下，其旋转翼的机械构造就简单多了，换句话说自旋机以直升机垂直起飞和空中停留的功能换来较简单的旋转翼设计，而这在于自旋机发展初期并没有预料到的。因为旋转翼主要是做为一高升力装置而没有其它的功能，发展时所遭遇的问题较直升机所遭遇的简单，其问题的解决亦较容易。其次自旋机的技术基本上是沿习飞机的技术，尤其是在飞行操控及推进系统，而当时飞机的发展已达到相当令人满意的阶段。可是也因为功能的限制，自旋机一直无法和飞机及直升机竞争。虽然如此，自旋机发展过程中其解决问题的技巧及结果对直升机的发展有无法抹杀的贡献，尤其是在1920年代针对自旋机旋转翼所发展出的旋翼理论及分析后来成为直升机理论的基础。
第四节 直升机发展的起飞期前面所提到的 Louis Breguet 于1932年成立另一家专门制造自旋机的公司，同时他将发展直升机的工作交给 Rene Dorand 。而当时一位刚毕业的年轻工程师 Maurice Claisse 被指定来参与此工作。根据其事后的回忆我们可了解其发展的过程。一开始他们建造了一活节式同轴双旋转翼，为了易于操控共装置三十二个油压帮浦（oil pump）透过装于旋转轴支撑架里非常复杂的连杆机构来操控翼片集合倾角及循环倾角。而倾角控制连杆（pitch link）位置的选择使得当翼片上扬时会减少翼片倾角，以降低翼片上扬角度，其功用在于防止上下旋转翼的相互影响。此种倾角与扑动偶合（pitch-flap coupling）的方法有助于旋转翼的稳定，目前的旋转翼设计中亦常见到此种安置。同时翼片在厚度及宽度方向亦采用渐缩式（tapered）。有了旋翼之后，他们在废物场找到适用的机身及引擎，经过几个月多次的试验后决定于1933年十一月进行第一次试飞，不幸地直升机翻覆而损坏。经过修复及一些改良后总重2000千克、旋翼直径 16.5米，由一个 450马力引擎带动，他们在飞行测试中心及飞行俱乐部人员的见证下，于1936年九月二十二日以 158米破了当时的高度记录，同年十一月二十四日，以ㄧ小时两分钟五十秒破当时空中飞行记录，以 44 公里破了当时来回飞行距离的记录，十二月九日以每小时 108 公里的速率破当时前进飞行记录，二十二日以十分钟破当时空中停留（hover endurance）的记录：