云顶娱乐:人类插翅上蓝天,航空航天工程

日期:2019-08-30编辑作者:现代文学

  遥远幻想

  航空飞行器

  古代人类在艰苦的生活和生产中,在与自然作斗争中产生了飞行的渴望。翱翔的鹰、扑翼飞行的鸟和昆虫,甚至天空飘浮的白云,都足以引起人们对飞行的幻想。但在科学技术不发达的岁月里,这一愿望是无法实现的,因而产生了许多关于飞行的神话传说。这些传说不仅丰富了古代人类的社会文化,也孕育了后来航空技术的萌芽。

  说起航空飞行器,人们一定会禁不住首先想起飞机。而谈起飞机,你一定会如数家珍、兴味盎然地娓娓道来:什么“幻影2000”呀!波音747呀!歼八战斗机呀!B—2隐性轰炸机呀!等等。其实这些飞机不过是飞行器的一部分,更确切地说,它只能算是航天飞行器的一部分。因为单讲飞机,大家熟知的美国“奋进号”航天飞机、“哥伦比亚号”航天飞机,也是飞行机器呢。不过它却是另外一个新的家族,因为它主要是在太空中飞行,而不是在湛蓝湛蓝的天空中翱翔。——那么,到底什么是航空飞行器呢?

  在众多的古代飞行神话传说中,以中国、古希腊、埃及、印度和阿拉伯地区最为著名,而且流传最广。有的流传于口头,有的记载于典籍,有的还反映在文学艺术作品中。

  航空飞行器,简单地说,就是指在地球太气层中飞行的器械。地球大气层很厚,它可以分成很多层。在最下面的有两层:对流层、平流层,空气比较稠密,特别是对流层,空气流动性大。几乎所有的航空飞行器都在这两层中飞行,高度大约有80公里。

  “嫦娥奔月”是中国妇孺皆知、流传甚广的神话故事。相传远古时代一位聪颖美丽的姑娘叫嫦娥,她嫁给了射日英雄后羿为妻。一天,因后羿射日有功,王母娘娘奖给他一葫芦仙丹妙药,说是两人分吃可长生不老,一人独吃可升天漫游。嫦娥按捺不住邀游天庭的好奇之情,偷吞了全部仙丹妙药。结果,药性发作,身体变轻,不由自主飘飘悠悠进了月宫。从此,她成为广寒宫里的仙女,从远古一直“活”到今天。

  航空飞行器种类繁多,家族齐全。从贴地上空10厘米的高度,到肉眼无法看见的几十公里的高度,都有我们各显神通的飞行小兄弟。从其用途来说,有专门执行某一任务的“标兵”,也有善使多般武艺的“能手”。从其形状来看,也叫人叹为观止:有的长长的,像一条长龙;有的高高的,像一个擎天的巨人;有的圆圆的,像一个花脸脸盆;有的怪怪的,像一个马戏团丑角,等等。对于这些五花八门、千奇百怪的航空飞行器划分起来比较困难,因为航空飞行器常常是“一机多能”。它们的形状、飞行性能、飞行用途等都可以作为归类的标准,这里只从它们的飞行原理来划分。

  古希腊的神话中,也有代达罗斯父子飞向太阳的故事。建筑师代达罗斯和他的儿子伊卡洛斯为逃脱诺斯国王的囚禁,返回自己的故乡雅典,用蜡和羽毛为自己制造了翅膀,飞逃了出来,他们升空翱翔越飞越远。后来,儿子不听父亲的忠告,靠近了炽热的太阳,结果粘住羽毛的蜡熔化,羽翅燃烧,伊卡洛斯失去了翅膀,坠入大海,而代达罗斯却扇动翅膀成功地飞越爱琴海到达了目的地。

  气球与飞艇

  古人向往飞行,认为长了翅膀的东西就能飞行。人要是想飞,就应该学鸟的样子,也长出两个翅膀来。山东嘉祥出土的东汉武氏石室的石刻图画中,有长着两翼和四翼会飞的人;甘肃敦煌石窟里有隋朝的壁画,画着羽人的像。古代欧洲有身生双翅的飞人石雕。埃及神话中,也有类似的图像。在古亚述神话和希腊神话中还可看到会飞的牛和马。

  对于气球,很多人会不屑一顾,以为它算不了什么。然而气球却是实现人类升天梦想的第一个工具。不管如何,它为人类的航空史写下了坚实的第一笔。

  2300多年以前,战国伟大诗人屈原把飞天的神话和传说写到他的著作里。比如,他在《离骚》中写道:“为余驾飞龙兮,杂瑶象以为车”,意思是我坐上飞龙拉的玉和象牙制成的车子。在《远游》中,他写道:在云中漫游,前面有风神给我开路。

  气球的原理很简单。我们每人兴许都看见过冉冉直上的炊烟,以及随风升腾的工厂烟尘,却不一定明白是空气的浮力把它们推向了天空。直到公元前三世纪时,古希腊科学家阿基米德才发现了水有浮力这一道理,进而人们得出空气也有浮力这一结论。然而空气有浮力这一原理一直没有得到重用。上千年后,18世纪初,巴西出生的神父巴托洛穆才发明了热气球模型。 1709年8月8日,该气球在印度的卡莎当和葡萄牙的特瑞诺多帕索室内抛高。接下来 1783年,法国造纸工人约瑟夫·蒙特哥菲尔用亚麻布做成了一个直径有30米的大气球。该气球充满了热空气,并上升到 1800米的高度,飞行了两公里。此后不久,记录不断被刷新。一个名叫罗齐尔的人坐气球飞跨了巴黎上空。又过了一段时间,氢气代替了热空气。1785年,一个充满氢气的气球飞越了英吉利海峡。从此,实用气球诞生并得到了应用。

  这些动人的飞天梦幻,朴素地反映了古人对探索天空奥秘、揭示未来的神往。但是,在科学技术十分落后的时代,人们无所凭借,只能以神话来表达意原。不论梦幻多么动人,多么美妙,它终究是一个空想,一场虚无。

  气球在军事、科研等方面得到过广泛应用。第二次世界大战时,英国、前苏联曾在伦敦、莫斯科上空布置过气球,有效地阻止了德国飞机的人侵。

  插翅难飞

  但是气球有很大的缺陷。一方面,高度有很大的限制。到目前为止,热气球的最高高度只为16,805米,是1980年英国人诺特创造的。氢气球和氦气球的最高记录为34,668米,是1961年美国海军中校罗斯和少校普拉热尔创造的。另一方面,气球飞行路线飘忽不定,风对其影响很大,这就不能避免造成许多悲剧。不过,气球的危险并不能阻挡人们冒险的勇气。1981年,一个载有四人的“双鹰5号”氦气球飞行了8382公里,横渡太平洋得到成功。

  在美国国家航空航天博馆的“飞行器”室里,有一块醒目的字牌:“世界最早的飞行器是中国的风筝和火箭。”

  飞艇比起气球来只多了个动力装置。换句话说,就是在气球上装了三个发动机,只不过可以更有效地人为控制航向罢了。

  风筝发明于中国,至今已有近2000年的历史。传说风筝的发明人是刘邦的大将韩信。他把楚国军队困在垓下时,制造风筝,叫身材轻巧的张良坐着风筝,飞上天空,高唱楚歌,使歌声顺风传送到远处的楚营里,是为“四面楚歌”。风筝最初是为了军事需要而发明的。自汉朝以后一直到唐朝,风筝还是军用品。尔后才从军用逐渐转到游戏、娱乐。风筝在本质上是一种重于空气的飞行器,它是利用空气动力升空的原始飞行器,其飞行原理和现代飞机相似。它大约在14世纪传入欧洲,对飞机的发明有重要影响,可以说风筝是现代飞机的祖先。

  世界上第一艘硬式飞艇是法国人吉法德制造的。他在气球下装了一个带有螺旋桨的蒸汽机。从此以后,各种各样的飞艇随之产生。特别是现在,随着航空工业的发展,钛合金、铝合金、碳纤维复合材料用到飞艇上,使飞艇质量更轻、载重量更大、使用寿命更长。

  人类飞行最早是受到动物,特别是鸟类飞行的启发。当时的人,以为只要插上带羽毛的翅膀,就可以像鸟儿一样自由飞翔。我国西汉末年的王莽时代,就有人做了尝试。据 《汉书·王莽传》中说:汉朝为了攻打匈奴,玉莽广泛征募有特殊技能的人。一天,来了一位打猎的青年,说自己会飞,可以从空中侦察匈奴。王莽说:好,那就请你飞起来让我看看吧。这位自称会飞的青年用大鸟的羽毛做了一副大翅膀,用绳子绑在两臂上,他的头和身上都披戴羽毛,把翅膀、羽毛用环和带子系住,只见他把两翼左右平伸,像老鹰一样,从高空滑翔下来,飞了几百步远。可惜,由于无法控制速度,他在落地时摔成重伤。这是我国史书上记载的最早的人力飞行试验,这位勇敢的青年可以算是近代滑翔机的创始者了。

  在过去,飞艇和气球一样,在战争中曾经大显身手,立下了汗马功劳。第一次世界大战时,德国就建有飞艇舰队,后来它遇到飞机这一克垦才衰落下去。不过,现在它的缺点正在逐步克服。像过去充满氢气的飞艇已经很少见了,原因是它经常起爆,而相对安全的氦气则受到了青睐。飞艇现在已经在运输、空中摄影、地面监视、电视转播等方面发挥了不少作用。我国在1991年举办第11届亚运会期间、1995年举办世界妇女大会期间,就有飞艇在北京上空执行过任务。

  大约过了一千年,到 1010年,又有一个叫艾莫的英国人也做了飞人试验。他在四肢上捆上羽毛做的两对翅膀,从教学的塔楼上飞身而下,他在空中滑翔了大约200米,在快落地时,一阵狂风吹来,吹折了他腿上的翅膀,结果他的飞行也以摔断双腿而告终。

  飞艇的制造方面,以美国古德伊尔公司的“美洲号”飞艇比较成功。该飞艇长约58米,高18米,容积5742立方米,装有两台发动机,飞行速度可达每小时80公里。1989年,我国也曾制造过“浮空4号”飞艇,该飞艇时速可达70公里。

  以后,还有很多次类似的试验,可是他们无不以失败告终,直到17世纪80年代,科学家指出人类不可能用翅膀飞行的严峻事实后,这种冒险活动才逐渐销声匿迹。1680年,意大利人乔瓦尼·博雷利在《运动的动物》一文中阐明了人类生理上的局限性,指出人离开机器的帮助永远不可能在空中支持自己的体重。之后,一些人开始对飞行问题进行认真的研究。他们研究的问题首先是:空气是什么?人类怎样才能在空气中飞行?古希腊哲学家亚里士多德提出了空气有重量的概念,而阿基米德则发现了浮力的计算方法,奠定了轻于空气的飞行器的基本原理。我国东晋时代的道家葛洪在所著《抱朴子》一书中也指出,老鹰直伸两翅,并不扇动,反而能盘旋飞行,愈飞愈高,是由于上升气流的缘故。后来,到了13世纪,伽利略、罗杰·培根和帕斯卡等一批科学家经过研究证明:空气是一种气体,有弹性;高度越高,空气压力越小;而且冷空气具有下沉、热空气具有上升的性质。这时,关于空气的奥秘才变得明朗化了。

  为了提高速度,未来的飞艇会设计成扁平型;为了减少发动机携带的燃料造成的不便,用核作动力的飞艇有可能出现,那时它的航程会更远。

  意大利画家达·芬奇是第一个对飞行进行科学研究的人。1490年他发明了“空气螺旋桨”。他在粗陋的螺旋桨状物体上扎上羽毛,做成一个能飞的小直升机模型。他正确推论出是空气流过鸟的翅膀才产生了升力,而且气流流过的速度越快,升力越大。但是,达·芬奇仍然受到他的前辈的影响,错误地坚持认为人只有模仿鸟儿才能飞行,从而把研究重点放在扑翼机上,企图通过扑打机翼来获得升力。直到晚年,达·芬奇才明白了这个目的是达不到的。

  气球和飞艇由于自身的缺陷,过去一度受到人们的冷落与忽视。现在随着现代科技的发展,新能源、新材料、新设备被配置到气球和飞艇上,使古老的飞行工具焕发出新的活力。

  气球升天

  扑翼机与滑翔机

  当专家、学者和航空爱好者们忙于寻找如何解决扑翼飞行的办法时,人类征服天空的壮举在十分意外的情况下出现了。这是一个相当简单的装置,比起一项项优秀的扑翼机构来,完全不算一回事——这种装置就是“气球”。

  不知道大家注意到没有,在我们的周围,常存在着一些飞来飞去的小生灵。你看那轻盈的小燕子,时而俯冲大地;时而立定盘旋;时而直上蓝天,飞得多么自由自在啊!我们为什么不能也长一对翅膀或者做一对翅膀飞翔呢?想得真好。在遥远的古代,我们的祖先就想到了要制造像鸟一样飞的机器,帮助人们实现展翅飞翔的梦想,这其实也是现代扑翼机和滑翔机诞生的基础。

  这项光辉而鼓舞人心的工作是法国的两兄弟约瑟夫一米歇尔·蒙哥尔费和雅克—艾蒂安·蒙哥尔费进行的。他们在靠近里昂的阿诺奈有自己的造纸厂。他们偶然发现放置在炉火附近的纸箱似乎要向上浮起。通过这个现象,两兄弟产生一个想法:造一个大而轻的容器,里面装填相当体积的热空气,让它飘起来。从1782年9月起,他们进行了一系列的试验。

  扑翼机,就是一种能像鸟那样搧动翅膀飞行的机器。不过,现代人设计的扑翼机翅膀是用各种合成材料做的,古代人的扑翼机“机翼”却是用地道的鸟禽羽毛做的,而“机身”却是活生生的人。

  1783年9月19日,巴黎凡尔赛宫前广场人声鼎沸,蒙哥尔费兄弟做了一场轰动一时的表演,连法国国王路易十六也带着满朝文武来观看。广场上有一只用纸和布糊成的大气球,气球直径12米、高17米,模样像一个柄朝下的大鸭梨。气球下面吊了一个盆状的大柳条笼子,里面有三位光荣的“乘客”——一只鸡、一只鸭和一头羊。

  扑翼机的设想由来已久。在我国西汉时期,曾经有人用大鸟的羽毛制做了两个特大翅膀,然后这人搧动着翅膀从高楼飞下。他只飞了几百步远,虽然没有成功,却是一种可贵的尝试。也不知道是多少年后,在英国、阿拉伯、土耳其也有人做过类似的试验。不过,这几个人并不都是那么幸运。据说,除了一个士耳其人飞行了好几公里远外,另外的人要么摔断了腿,要么坠地而死,酿成了悲剧。

  兄弟俩点燃了放置在气球下面的柴禾等物,热气冲进了气球,于是气球缓缓上升到500米的空中。在激动的观众面前,这只气球用8分钟时间飞行了3公里后,安全降落在城外的草地上。

  到了15世纪,意大利的天才设计家达·芬奇设计了一种像鸟一样扑翼的机械,此机械装有翅膀,能用脚来进行扑动。这兴许是现代扑翼机的前身。

  路易十六见状喜出望外,决定下次升空要作载人飞行。为防止意外,他提出让两名死囚先坐进吊篮。谁知,他的提议引起群情哗然,谁都不同意让死囚去享受人类第一次升空壮举的荣誉。经过激烈竞争,化学教授罗齐埃和陆军少校达尔朗德乘上了热气球。这个具有历史意义的时刻是:1783年 11月21日下午1点54分。

  但是到目前为止,现代扑翼机并没有真正制造出来。这是为什么呢?其实不要说扑翼机、飞机,就是人真的像童话里描述的那样插上翅膀,也不一定能飞。达·芬奇曾从飞禽的解剖中发现:鸟的臂肌相当有力,而人的臂肌却显得太“苍白无力”了。再说,人即使能像鸟那么快地搧动翅膀,他的血液供应也不够。换句话说,人的心脏跳动和代谢功能赶不上鸟。有统计表明,人即使装上一副约 10斤重的翅膀,它所发挥的功用,还不到小小鸽子的1/10~1/4。——看来,人真是天生不会飞的。扑翼机兴许只是一种设想,虽然我们现在有好多的设计图,但要想真正变成现实,还要我们不断地努力。

  两人乘坐的热气球形状为椭圆形,直径15米,高22米。在几万名观众的欢呼声中,他们升上300米左右的天空,飞越了塞纳河,飞行25分钟后,他们安全降落在蒙马尔特。

  有趣的是,无意插柳柳成荫,扑翼机没有产生,人们用人力作扑翼飞行试验时,却派生了另外一种飞行器——滑翔机。

  这是人类历史上第一次气球载人飞行。

  滑翔机不能搧动翅膀,但是它的飞行原理与鸟的滑翔原理相同。鸟儿在飞到一定高度时,利用空气的阻力,或者迎面吹来的气流,展开翅膀,可以进行滑翔。鸟儿在滑翔时一动不动,滑翔机在滑翔时也不需要动力,但是升高却是个问题。

  蒙哥尔费热气球不久便与17年前英国人亨利·卡文迪什发明的另一种使用氢气的易燃空气气球结合了起来。法国物理学家查理首先进行了这项实验。他研制出了以氢气代替热空气、产生浮力的气球,而且采用了在丝绸上涂橡胶的方法制成的气囊。1783年12月1日,他的氢气球从巴黎杜伊勒利宫起飞,平安地飞行了43公里,实现了首次氢气球载人飞行。氢气球的性能明显比热气球好,后来得到了迅速发展。

  为了解决滑翔机的高度,有的滑翔员从倾斜的山坡上跑步进人空中起飞,还有的像放风筝一样,如莱特兄弟最早制造的双翼风筝滑翔机,通过拉力牵引升入空中。现在的滑翔机先进得多了,相当部分装上了小型活塞式发动机,既可以自由起飞,也可以在空中无需动力自由滑翔。

  早期的气球主要用在军事上,首先是通信联络和侦察。1871年普法战争中巴黎被围,法国人曾用气球将人员和信件送出包围圈。第一次世界大战中,系留气球被广泛用来当作监视对方的空中平台。气球还曾用于防空和轰炸。第二次世界大战中,英国人在伦敦周围系留大量气球构成空中拦阻网阻止德军的轰炸机进入。现代高空气球还可以携带照相机和其它遥感设备,在一般飞机达不到的2万米以上高空进行空中侦察。50年代以后,由于其它侦察手段的发展,气球在军事上的应用价值大为减小。在民用方面,系留气球可用于在地形险要地区架设电缆、在林区集运木材。系留气球还可以在边远地区用作通信、电视广播的中继站。热气球多用于航空体育运动,竞赛项目有定点着陆、远距飞行、单位时间飞行距离、升空高度和续航时间等。在中国,高空气球探空研究工作开展得较晚,1979年以来已建立3万立方米级的高空科学气球系统。1984年还建造了最大容积为5万立方米、载重250千克的高空探测气球。近年来,气球被用作广告宣传的也逐渐增多。

  滑翔机的问世与德国工程师奥托·利林塔尔很有关系。从1891年开始,他自己做了一个带有一把大伞的滑翔机,进行了几千次试验。他的这种滑翔机叫悬挂式伞翼滑翔机,像降落伞一样,目前在国内外流行;还有一种叫固定机翼滑翔机,机身细长,像个真正的飞机。

  仿鸟滑翔

  滑翔机并非只能滑翔,在遇到气流时也可上升,这便叫翱翔。

  在飞艇发展的鼎盛时期,飞机的倡导者们仍在顽强地工作。对他们来说,仅仅给飞艇装上发动机还不能令他们满意。飞艇没有像鸟一样的外形,还不是人类征服天空的理想交通工具。

  现代滑翔机主要用于体育活动。我国于1994年研制了“HFY—5”动力滑翔机,该机可以折叠,携带方便,起落跑道距离短,是我国超轻型飞行器队伍中的“新兵”,它在农、林、牧、体育、旅游、商业广告中可担负一定的任务。

  今天的人们如果回眸凝望当年航空先驱们的杰作时,不免会忍俊不禁。他们设计制造的飞机怪模怪样,有的像蝙蝠,有的像带鸟尾的飞虫,有的像大一点的风筝,还有的简直就是怪物。尽管如此,你不得不佩服他们的勇气、精神和智慧。

  飞机与直升机

  1804年英国人凯利爵士建造了一架约15米长、固定翼上反角为6度的极小型滑翔机。它的十字形水平安定面由活动连接部件与机身相固定,通过移动沙袋来调整重心。1809年,他又造了一架稍大一些的滑翔机,1849年,他把佣人的10岁儿子放在自己牵引的一架全尺寸滑翔机里进行了试验。1853年,第二架滑翔机又从一座山顶起飞了,这次驾驶员是他的马车夫约翰·阿普尔,滑翔机滑翔了10来米后坠毁。这位马车夫受惊不浅,事后他对凯利说:

  把飞机与直升机相提并论,有没有搞错?回答是肯定的:没有。直升机不是飞机的派生,它们是两种不同的飞行器。不管是从飞行原理上,还是从它们诞生的年代来看,都有泾渭分明的区别。

  “求求您,老爷,我希望您还记得,小人是受雇来驾马车,而不是来驾飞机的。”

  飞机的飞行原理与鸟儿不一样,但却和风筝很相似。我们知道,风筝在我们拉着跑时,常常是越升越高。飞机也一样,飞机在向前滑行时,由于速度加大,迎面而来的风也很大。这股风分两部分,一部分跑到飞机的机翼上面,流速比较大,空气的压力小;而流过机翼下面的气流由于空气通路窄,流速小,所以压力大。空气是对流的,压力大的空气向压力小的地方跑,这一跑就产生了一种从下往上的升力,这不,飞机就被空气抬起来了。其实这还是个著名的原理,是瑞士科学家伯努利1726年提出来的。

  凯利的重要著作《空中舴》于1809~1810年出版。在该著作中,论述了空气动力原理及其作用和应用,奠定了固定翼和旋翼机的基础。他指出,肌肉力量远不足以用于机械飞行。他的结论是,对于飞行来说,目前欠缺的唯一部件是内部燃烧的发动机,只要有了它,古老的梦想很有可能会成为现实。

  飞机的升力问题解决了,动力问题又产生了。飞机如果从动力来看,可以分成以下几种:

  到19世纪过了四分之三的时候,最大的问题仍然是动力装置。当时唯一能提供推进能量的方式就是采用蒸汽机,而蒸汽机的重量,包括锅炉和燃料,比飞机本身大得多。虽然如此,人们还是用蒸汽机做了许多勇敢的尝试。像法国的克莱蒙·阿代尔制造出两架蒸汽动力的全尺寸飞机,一架取名“风神”,另一架叫“飞机”,据称后者曾飞离地面几英尺。另一位法国海军军官费利克斯·迪唐普尔,在1874年试验了他的装蒸汽发动机的单翼机。他从一个斜坡上起飞,离开了地面,无控制地飞行了10米。1881年,沙俄海军上校亚历山大·费·莫扎伊斯基试飞了他自己设计的蒸汽动力单翼机。然而,这大量的研究工作和无数的试验飞行只搞清了两件事情:蒸汽发动机对于机械飞行来说并不是合适的动力装置;获得推力的最佳手段是螺旋桨。

  最先说人力飞机。可别小看人力飞机,人力飞机产生得比较晚,但说到底,它解决的是单靠人是否能够上天飞行的问题。人力飞机的产生,可以说是对“扑翼飞机”失败这一缺憾的一种补偿。人力飞机是伴随着飞机出现而出现的,它一般采用固定的机翼,不过,提供力量的常常是脚而不是手,原因很简单:脚比手力气大。

  1862年,法国德罗埃提出了近代四冲程内燃机的工作原理。根据这一原理,1876年,德国人尼古拉斯·奥托制成了往复活塞式、单缸卧式四冲程内燃机。1880年,德国人戈特利布·戴姆勒研究出烧汽油的发动机,不久这种发动机被首先用于车辆,并为早期飞机的试验、制造和发展,奠定了动力基础。

  1936年,德国人海斯勒·维林吉制造了第一架脚踏飞机,但只飞行了40秒钟。1961年,英国三名大学生制造了一架“升攀号”人力飞机,它的主体是一辆自行车,该机飞行了约50米长的距离。1962年、1972年,英国人温彭尼、波特分别驾驶自动的脚踏飞机,各飞了3993、1071.5米。1977年、1979年,美国滑翔机运动员麦克里迪制造了“蝉翼秃鹰”号、“蝉翼信天翁号”人力飞机,取得了很大的成功,其中后者飞越了英吉利海峡。此后,美国的人力固定翼飞机“仿蝙蝠”,在三分钟内沿三角形航线飞行了      1500米,这标志着实用人力固定翼飞行的真正产生已经为时不远了。

  在活塞发动机使飞机成为现实之前,还需要解决最后一个问题,即机翼问题,也就是飞行控制问题。

  接着说螺旋桨飞机和喷气式飞机。螺旋桨飞机和喷气式飞机的原理有所不同。螺旋桨飞机,简言之,就是用螺旋桨来产生拉力的飞机。螺旋桨就像风车上的“转叶”一样。不过,风车是利用气流使“转叶”转动,而螺旋桨飞机却是用螺旋桨使飞机沿气流爬升。说到桨,人们会情不自禁地想到轮船上的桨,其实它们之间并没有本质的区别。

  由于早期的飞机设计师们拘泥于模仿鸟的形状,因此设计时很自然地只想到单翼机的形式。有时,他们甚至固执地把飞机前部做成鸟的头和嘴的模样。然而,到了1860年,一位英国科学家弗朗西斯·韦纳姆提出了双层机翼飞机的设想,这是一种不必增加翼展就能增加的机翼面积的方法。他还证明了有弯度的翼型比平直翼型的性能好得多。对机翼外形和翼型的实用研究是由一位英国人霍雷肖·非利普斯进行的,他用一个原始型风洞和他自制的“活动百叶窗”系住飞机进行试验。通过这些试验得到的数据,他获得了“较小弯度”翼型的专利,这种翼型比当时采用的翼型产生的升力大得多。

  桨是人划的,很慢;螺旋桨是机械转动的,很快,但不能太快。早期的这种飞机桨是木头做的,其飞行能力可想而知;后来钢派上了用场,但是桨转得太快了,磨损大,同样会折断。而且,最令人头痛的是,飞机一旦要接近声音传播速度,即 340米/秒时,螺旋桨就像吃了迷魂药一样,无法控制。经过反复研究,科学家们搞明白了原因:飞机在接近声音速度时,其周围空气来不及流走,因而像一面墙一样堵在飞机前面,飞机当然就束手无策,裹足不前了。

  19世纪临近结束的时候,经过长斯探索终于迎来了飞机的成功。德国人奥托·李林达尔成为第一个在重于空气的飞行器上飞行的人,尽管他的飞行器上没有安装发动机。他和他的弟弟古斯塔夫先后制造了18架外形模仿鸟的载人滑翔机。李林达尔总共做过2000多次成功的悬挂滑翔飞行试验,有几次还完成180度的转弯。他的滑翔机是简陋的,必须通过移动身体的重心来进行操纵,但它却是第一架可操纵的飞行器。李林达尔兄弟对鸟类的研究比前人更为科学。前辈们仅仅指出了鸟类飞行的一般原理,而李林达尔在 1889年出版了著名的《鸟类飞行——航空的基础》一书,他分析了鸟翼形状和结构,弄清了鸟在飞行中翅膀是怎样挥动的,怎样改变上反角以保持更好的稳定性,怎样改变弯度以获得更大升力,需要多大的升力才能克服已知的重量等。尽管后人证实他的一些理论有错误,但这本书仍然被认为是一部伟大的航空经典著作。1896年8月10日,李林达尔在一次飞行中遇难,年仅48岁。

  当时,这一飞行难题叫音障。螺旋桨飞机的确是慢一点,无法达到和超过音速。但事物是相辅相成的,螺旋桨飞机也有它的优点,它的耗油量小,对环境的污染不大。目前,一些对速度不做高要求的飞机,如农业飞机,常常使用带螺旋桨的发动机。比如中国的“海燕”多用于专用飞机、印度的HA—31MKll“春天”农业机、英国的 MAC6“农场主”飞机,美国的“农用马车”、苏联的“安— 3”等,就是这样。

  原始空战

  喷气式飞机,是为克服“音障”而诞生的。喷气原理最早是牛顿提出来的。不难理解,飞机在喷气时产生巨大的反作用力,推动了飞机前进。我国古老的火箭、现代航天发射的运载火箭,其原理皆同出一辙。

  第一次世界大战初期,飞机主要是担负侦察兵的任务,因此飞机上都没有装备武器。最初的空战宛如儿戏,交战双方在空中相遇,有时挥挥拳头以示敌对,有时互扔砖头吓唬对方。

  据说牛顿本人设计过一种喷气车。该车装有一个锅炉,锅炉后有喷管,喷出的蒸汽推动着车子前进。早些时候,蒸汽机也曾搬到过飞机上,因为太笨重而淘汰。后来人们使用燃气带动活塞,做成了活塞式发动机。这种发动机一直延用到今天。

  俄国飞行员涅斯捷洛夫想象力奇特。他在自己的飞机后部装上一把刀子,用以划破敌人飞艇的蒙皮,后来他又在飞机尾部装上一条带重锤的钢索,准备从敌机前飞过时,用钢索把敌机的螺旋桨缠住。上尉卡扎科夫则更胜一筹,他采用了一个别致的装置——在飞机下部安装一个抓钩,抓钩上还连有一个雷管,从敌机上方飞过时,用抓钩将敌机钩住,钩住的瞬间雷管会发生爆炸,以此来消灭敌机。还有的飞行员,则拔出随身携带的手枪,向敌机驾驶员射击。当然,命中率极低。更为可笑的是,用飞机去撞敌机,也成了最初空战时,驾驶员气急之时的一种“战术”。1914年涅斯捷洛夫驾机在空中与一架奥地利侦察机相遇,涅氏拔出手枪向奥机开了两枪,一枪打空,另一枪射入奥机机身,但并不是要害之处,也未影响飞行,涅氏还想射击,不料手枪却卡了壳。奥机驾驶员得意地朝涅氏笑了笑,当时飞机的速度都较慢,奥机驾驶员的表情被涅氏看得清清楚楚。他驾着飞机猛地朝奥机冲了过去,结果起落架的轮子一下子撞在奥机的螺旋桨上,奥机的发动机突然停转,飞机向地面坠去。这类事情在当时并不少见。

  现代的喷气式飞机一般使用涡轮喷气发动机。这一点说起来惭愧,中国古代的走马灯其实就是现代涡轮喷气发动机的雏型。涡轮像走马灯的灯片一样,当燃烧室的油点燃以后,热气推动涡轮高速旋转,并向后喷气。涡轮喷气发动机的设想是由一个叫马克亚姆的人提出来的,时间是 1921年。1939年8月27日,世界上第一架涡轮喷气式飞机“HE—178”,由德国亨克尔飞机制造厂制造出来,并试飞成功,但那时的速度仍没有超过音速,每秒只有177米。

  是法国飞行员首先把机枪带到了飞机上,机枪装在活动底座上由观察员操纵。1914年10月5日,法国飞行员约瑟夫·弗朗茨和机械员兼观察员卡波拉尔·凯诺中士驾驶一架法制“瓦赞”飞机巡逻,发现一架德国双座飞机正在侦察法国防线,弗朗茨逼近这架入侵飞机,经过短暂的空战,成功地用机枪击落了敌机。这就是航空作战史上第一次真正的空战。

  1947年,美国拜尔工厂生产出一架X—Ⅰ型火箭飞机。该机利用携带的火药爆炸后喷出的气体推动飞机前行,并首次突破了“音障”,打破了音速不可超越的神话。1953年,美国生产了F—100“超级佩刀”喷气式飞机,速度每秒为442米,大大地超过了音速。此后,各种军用、民用飞机纷纷效仿,采用喷气发动机。如前苏联米格—25、米格—23、米格—29、米格—31战斗机,速度分别为音速的2.8、2.35、2.2、2.4倍。美国的试验机X—15,速度达到音速的6.06倍 (使用火箭发动机);我国的F—7、F—8战斗机其速度是音速的2.05、2.2倍。

  随着第一次世界大战的展开,空战变得更为激烈了。交战双方都在研制专门用于空战的战斗机。然而机上的机枪置于何处,却成了一个令人头痛的事。如果把它安放在机头上,那么射出的子弹往往会打坏自己飞机前部的螺旋桨;如果把它放在两翼上,既影响瞄准又影响飞行。

  要澄清一点的是,喷气飞机与火箭飞机虽然都喷气,但两者不能混淆。火箭飞机就燃料性能、用途来说都与前者有极大的区别。

  1915年4月1日,四架德机与一架法国飞机遭遇,德机飞行员看到法机的机翼上没有机枪心中窃喜,以为可以以多欺少占一把大便宜。谁知,法机突然从螺旋桨中喷出一条黄色的火舌,一架德机立即朝地面栽去,德国飞行员还没反应过来,又一道黄光射出,第二架德机又命归黄泉。这个杰作是法国飞行员罗朗·加罗斯创造的,他驾驶的这种带有固定机枪的莫拉纳一索尔尼埃L型战斗机在16天里击落了5架德机,他成为法国也是世界上第一个“王牌飞行员”,他的飞机也因此名声大振。

  最后说一下太阳能飞机和原子能飞机。顾名思义,这两种飞机分别使用的是太阳能和核能。

  德国人实在难以相信这魔术般的攻击,因为常识告诉他们,无法让子弹从旋转的螺旋桨中射出,而不击中木制的桨片。直到一架法国飞机由于故障迫降在德国占领区,德国人才搞清楚了其中的秘密。

  太阳能飞机上面布满了太阳能电池,电池产生的电流输入电动机后,螺旋桨开始转动并使飞机起飞和飞行。1980年11月20日,由保罗·麦克里迪博士领导的小组设计的“太阳挑战者号”飞机首次试飞成功。1981年7月,该机用五个小时,成功地飞越了英吉利海峡。太阳能飞机很轻,结构多使用碳纤维材料,机上还蒙有一层聚酯薄膜,并安装有1.6万块太阳能电池。“太阳挑战者号”每小时可达54公里,飞行最高高度为3300米,显然实用性并不是很大。太阳能飞机关键问题是蓄电。在不久的将来,科学家们一定能研制出高效能的太阳能电池,并能突破上千公里的航程。

  原来加罗斯把机枪装在飞机座舱前面,透过螺旋桨向外瞄准,而面向枪口的桨片上则用钢片包住,这样就有可能使击中桨片的子弹改变方向,从而部分地解决了机载机枪前射的问题。

  原子能飞机迄今尚未真正问世。此种飞机安装有核反应堆,用金属铀—235作燃料。它的原子核在中子的轰击下会产生裂变放出中子,并释放能量。但是核裂变时会发生对人有害的核辐射,必须采用保护层进行隔离。1956年1月,美国曾研制出核喷气发动机,但是由于其隔离防护设备过于庞大,无法安上飞机,最后花了10亿美元,15年的研制最终流产。不过,由于能源费用上涨,科学家们又开始重新考虑原子能飞机设计方案。我们相信,原子能飞机迟早会出现在人们的视野中。

  为德国人工作的荷兰工程师安东尼·福克对迫降的飞机进行了仿制和改进,很快就“青出于蓝而胜蓝”,他发明了机枪协调器,用螺旋桨来控制机枪的射击,当桨片挡住枪管时,机枪便停止工作,反之,则机枪可以大胆地狂射。德国人很快就把机枪协调器安在了福克飞机上,它攻击力强、命中率高,比法机技高一筹,在空战中屡屡获胜,打得协约国空军闻风丧胆,造成了恐怖一时的“福克式灾难”。

  以上分别介绍了各种飞机,现在回过头来说直升机。直升机不是飞机,它首先是一种直上直下的飞行器。直升机与螺旋桨飞机有割不断的联系。螺旋桨飞机的桨是装在飞机前面的,它使飞机向前推进,受力与地面垂直;但如果螺旋桨装在飞机的上部,那么飞机的受力将与地面平行,这不,向前的推力就变成了向上的升力。

  百机斗天宫

  直升机说起来令人遗憾,它的起飞原理与我国的竹蜻蜓相似。早在1600年前,我国晋代葛洪就提到过一种带有升力螺旋桨的竹蜻蜓;后来,竹蜻蜓传到欧洲,启发了不少科学家和技术人员,于是造出了直升机。1483年,意大利天才科学家达·芬奇提出了直升机旋翼的设想,并制作了草图。1754年,俄国M·B·罗索诺若夫进行了直升机旋翼模型试验。1878年,法国人福拉尼用蒸汽机作动力,制造了一架横型直升机;1907年、1922年法国工程师伯雷格、黎歇、俄国人博塔扎特分别制造了直升机,但都没能真正飞行。1939年,俄国人西科斯基研制了第一架实用直升机VS—300,并试飞成功。说到这儿,大家已经明白,直升机只有五十多年的历史,对于飞机老大哥来说,只能算是小弟弟了。

  你听说过从飞机上用手向下扔炸弹的事?听起来的这种事很可笑,可这事发生在1911年,还是件具有重大军事意义的大新闻。11月1日,在意大利、土耳其战争中,意大利军队动用了飞机,意军飞行员朱里奥·加沃蒂驾驶一架“鸽”式单翼机向土军阵地投掷了4枚各重2千克的炸弹。当时飞机上既没有挂弹架,也没有弹舱。炸弹就放在飞行员的座位旁,一旦需要,就用手往下扔。这样的轰炸根本炸不到目标,几乎没有多少作用,但却可以从声势上威震一下对方。土耳其的骑兵队就被这种突如其来、从天而降的轰炸吓得四处逃散。

  直升机的形状很怪,其尾部有一个螺旋翼,它一方面起方向舵的作用,另一方面还可以抵消大螺旋翼对直升机的旋转力。有的大型运输机干脆使用两个大的螺旋翼,它们的功能都一样,不过一定要明白:两个螺旋翼的方向相反,才能抵消它们对直升机的旋转力。直升机有人称之为“直升飞机”,是因为它还能够像飞机一样向前飞行。不言自明,直升机只要操纵整个旋翼,使之倾斜,就可以改变飞机受力方向,自动前行。由此,现代人把直升机理解为可上可下、可前可后的飞行器,并把它编入飞机行列,是顺理成章的事。其实直升机与飞机本身也可以互补,你看,“X翼机”就是这样。

  1914年8月3日,德国派飞机轰炸了法国的一座城市,这是世界上第一次飞机对城市的轰炸。

  X翼机,它是直升机和一般飞机的杂交种。“X翼机”上面有直升机旋翼,因而它可以直起直落。但是它的“X”形大旋翼在停止转动时则又变成了一般飞机的机翼。而平直的机翼受到的阻力大,飞行速度低;斜形的机翼,两个向后掠或者向前掠,或者干脆一个前掠一个后掠的机翼,却可以提高速度,因而就有了前掠翼飞机、斜直翼飞机、后掠翼飞机等。然而“X翼机”可以把它的“X”旋翼调到任意想要的形状,充当特别形状的机翼,达到一般直升机所不能达到的速度。看来,飞机设计虽要合乎常理,但也离不开异想天开的想象力。前面我们说飞机与直升机是两个泾渭分明的飞行器,到这儿,“X翼机”真成了兼有两种飞行器特点的地道的混血儿了。

  随着飞机轰炸威力的影响,英、法、德、意大都开始生产专门用于轰炸的飞机。到1918年,轰炸机的生产已趋于成熟,最大的轰炸机可载炸弹2吨,飞行高度6000米,速度可达180公里/小时。1921年,美国进行了一次轰炸机投弹表演,目标是海上一艘被缴获的德国战舰。当时出动了8架轰炸机,每架载弹8枚,它们轮番轰炸,虽然只有5枚炸弹命中了战舰的两侧甲板,但不到半个小进,德舰便沉入了海底。

  冲翼艇

  第一次世界大战期间,能对地面进行攻击的强击机也开始崭露头角。当时,一些装上机枪的战斗机飞行员,常常从低空掠过敌方阵地或战壕,用机枪狂扫地面,大量杀伤敌方士兵。英、法联军曾用飞机对德国的地面部队进行攻击,大大压制了德军地面进攻能力。后来德国飞行也仿效此法,以其道还治其人之身,组织了作战飞行小队,专门执行低空攻击任务,对联军的战壕实行扫射。为了加强对地攻击,同时又防止地面的火力伤害飞机,德国专门设计了一种带有装甲的飞机,它的机身金属制造,飞行员的座舱周围有5毫米厚的钢板保护,机腹下安装有机枪,这种飞机以设计师名字命名为“容克斯” D.11,该机1918年正式投入使用,成为强击机的“鼻祖”。

  本世纪60年代,在海上出现了一种怪物:它形状像船,但又不在水上乘风破浪;说它是飞机,却又不在高空展翅飞翔,它总是紧贴着水面,就差那么一点距离,不高不低地执著地向前飞。这个怪物就是冲翼艇。

  到第一次世界大战停战时,飞机还不满15岁,而战争的锻炼却使它从少年一跃而成强壮的中年人。

  冲翼艇的产生归功于“水面效应”的发现。这儿还有一个有惊无险的故事呢。本世纪30年代,德国一架水上飞机由于油路出了故障,从高空直往下落,本来机组人员料定要出事。可是神了,飞机在离地10米左右的高度时开始拉平水平高度,不往下落了。其实也不怪,飞机在10米以下的高度飞行时,机身下面的空气受到压缩和排挤,形成一股向上的升力。正是这种力拯救了升力不够的德国飞机。

  原来只有几个人用木材和蒙皮拼拼凑凑制造飞机的分散工棚,已变成不断向四周扩展的工厂。在四年战争中,法国共生产了51000架飞机,英国生产了55000架,美国生产了15000架,意大利生产了12000架,德国生产了47000架。大战结束时,许多国家建立了专门的航空科研结构和航空工业,世界上已有200多个飞机厂和80个发动机厂,共生产了183000多架飞机和235000多台发动机。

  此后,科学家们根据“水面效应”原理,制造出一种贴地面低高度飞行的运载工具,这就叫冲翼艇。冲翼艇分两种,一种叫主效艇,可以在“地效区”内外航行。它由水上飞机改装而成,有一个大船身,还有一幅长而大的机翼,机动性好。德国的“X-114”是一种成熟型,它长约12.8米,翼展7米,艇高2.9米,采用活塞式发动机,在浪高1.5米上飞行,最大速度为230公里/小时。另一种叫全效艇,仅适于“地效区”。它由水面舰船演变而来,但它的自由飞行能力不强,离地(水)面也不高。德国 80年代使用的 TAFVⅡ—3串翼全效艇,使用两台活塞式发动机,艇长14米,翼展6.6米。它可以离地0.15~1.02米,并能乘坐15人,航速为每小时133公里。另有百吨级 TAFVⅢ—10客运冲翼艇,巡航高度为三米,航速为每小时230公里,可乘坐400人。

  飞机的性能也有显著的提高,飞行速度由100公里/小时提高到256公里/小时,飞机升限由4200米提高到8810米,飞行航程加大到1900公里。飞机的结构和动力装置都有了较大改进,出现了许多先进的设计,其中有悬臂式机翼和金属机身等。最具有重大意义的是飞机发动机的发展,有了各种新式的发动机,飞机才有可能做得更大,装载更多。

  美国目前研制的600吨级冲翼艇艇长72.5米,翼展32.9米,艇高10.4米,可一次载四辆主战坦克,设计速度达491公里/小时。据说美国千吨级的冲翼艇也在研制,到时速度可达648公里/小时。独联体也有“河上快车”,其重量为500吨,共装有10台喷气发动机,时速可达555公里,飞行高度为7~15米。我国也研制成功了XTW—2客运冲翼艇,该艇翼展12.7米,总长18.5米。

  两次大战之间,在航空发动机方面的重要技术成就是:发展了星形气冷发动机;采用高辛烷值燃料;发展了发动机增压器,改善了发动机的高空性能以及发展了变距螺旋桨,满足了不同状态下对发动机工作性能的要求。

  冲翼艇综合了水上飞机、舰艇、船只的优点,它在军事、客运等方面发挥了重要作用,它为航空飞行器增添了新的光彩。

本文由云顶娱乐发布于现代文学,转载请注明出处:云顶娱乐:人类插翅上蓝天,航空航天工程

关键词: 云顶娱乐

第五十四章,世界科学技术全景百卷书

动物怎样搞“个人卫生” 大猩猩、狒狒、猩猩以及其他灵长目动物间或会用树枝和石头作为武器,或用石头砸开坚果...

详细>>

【云顶娱乐】世界科技全景百卷书,全息电视无

一旦黑白电视机的可靠性、图像质量和价格问题得到解决,电视工业的兴趣就转向了彩色电视。不过,彩色电视的第...

详细>>

元杂剧衰亡的来头是什么样

历史上,元杂剧和唐诗、宋词、明清小说并称,这说明它在我国文学艺术发展史上具有独特的地位。 元代杂剧是在前...

详细>>

云顶娱乐:通信技术,通讯新气象

磁带录音 有线通信与无线通信 传输介质 按传输连接方式: 有线通信系统,需使用物理介质进行信号传输 使用的传输...

详细>>