书城科普读物科学奥秘丛书-飞天之翼
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第10章 航天事业的变革(2)

斯密森学会的主席兰利博士是一位著名的航空学者,他研究飞机比莱特兄弟早得多。远在1896年,他的第五个蒸气机动力模型飞机就成功地飞越了1200米。他取得了美国政府的支持。1901年,试造了一架相当于真飞机1/4的功力模型,并试飞成功。1903年10月(莱特兄弟飞行的前两个月),他的实物飞机进行试飞。这次试验在华盛顿附近的波托马克河上进行。兰利的飞机停放在河面一只船的顶部,利用弹射机构起飞。可惜弹射机构出了故障,飞机离船后就直落水中。12月又试验一次,再次失败。兰利在航空理论上有高深的造诣,也可能正因为如此,他太拘泥于理论数据和模型经验而错误地采用了水上弹射方案,却没有像莱特兄弟那样在飞行实践中不断改进,日趋完善。兰利由于受到世人的嘲笑,失去了军方的信任,三年后郁郁而死。

莱特兄弟发明飞机的消息引起了强烈地反响,但也有一些不以为然的人,他们受到传统观念的束缚,看不起没有学历的自行车工人,认为这一荣誉应该属于科学界的代表人物兰利。特别是斯密森学会的继任会长沃尔科特对这种偏见的传播,更为卖力。

数年之后,美国又掘起一名飞机和发动机的设计家柯蒂斯,成为莱特兄弟的竞争对手。他设计的“金箭号”飞机取得了1909年第一次国际飞行竞赛大会的速度冠军。1910年他驾驶飞机从奥尔巴尼飞到纽约,全程228千米,创造了当时最远的航程世界纪录,接着,围绕飞机辅助翼的专利权问题,莱特兄弟和柯蒂斯互相指责,弄得难分难解。这是资本主义社会排挤的自然现象。最后他们只得诉诸法庭。结果柯蒂斯败诉,但他毫不气馁,决心复活兰利的飞机以证明莱特兄弟的功绩和技术并非空前绝后,而且,飞机发明家的桂冠也是授之不当的。斯密森学会听了柯蒂斯的申请,正中下怀,立刻拨给他2000美元试验费。柯蒂斯不愧为能工巧匠,他对发动机和飞机相当熟悉,经过他的“医治”,兰利的飞机果然死而复生,1914年在古卡湖上试飞成功。斯密森学会闻讯后喜出望外,连忙在年度报告会上声明:“这次试验证明,兰利的飞机才是世界上第一架能飞行的飞机。”

而莱特兄弟对兰利飞机的外形和结构进行过详细的研究,其结论是它绝不可能飞行。奥维尔·莱特(其兄威尔伯·莱特已于1912年去世)立即向斯密森学会提出抗议,并提供了他的调查数据。原来经柯蒂斯试验的这架飞机,尽管外形与兰利的飞机一模一样,但暗中修改达30多处,换上了强度很大的材料,加大了发动机功率,螺旋桨也去掉了尖头部分变得更为合理。令人吃惊的是,面对莱特提出的有力证据,斯密森学会根本不愿意收回自己错误的声明,反而在1915年至1918年的期间,每年都在年度报告中强词夺理地反驳莱特。此外,这个全国性的科学权威组织还把兰利的飞机送进了航空博物馆,贴上“这是能够载人的世界上第一架飞机”的说明标签,广为展览宣传。奥维尔·莱特虽经十几年的努力抗争,但也无法改变斯密森学会的偏见,只好在1928年把自己的飞机运往伦敦科学博物馆展出。一直到1942年,斯密森学会的新任会长阿博主持重新调查后,才确认了莱特提供的论据,正式撤销了28年前的错误声明,公开向莱特兄弟道歉。莱特也表示谅解,同意把飞机运回美国。当时由于第二次世界大战,这件事被耽搁下来,直到1948年才将这架飞机运回美国。此时奥维尔·莱特已离开人世了。

现在,美国华盛顿国家航空和宇航博物馆仍旧保存着这架有着不平常经历的第一架飞机。

直升机的诞生

1906年科尔尼利用1个功率不超过1.47千瓦的老式比歇发动机制造了1架直升机工作样机。该机机重12.7千克,提升力15.9千克,其发动机重量已由原来的14.1千克减到6.8千克。它的两副旋翼并列安装,构架和其他部位都是用钢管制成的。发动机产生的动力通过绕滑轮运转的皮带传递。后来证明,这套传递系统对全尺寸的直升机很不适用。科尔尼于1907年8月制成了全尺寸直升机,同年11月13日完成了历史上首次升空0.3米的纪录。

这架直升机有两副旋翼,直径为6米,一前一后地安装在承力支架上。传动带长约20米,整个传动机构都使用了滚珠轴承。每副旋翼有两片桨叶,桨叶用钢管制成,外面包有橡胶的绸布。旋翼安装在1个大型钢制滑轮上,滑轮上装有传动带,桨叶的迎角是可调的。推进和操纵力矩是通过两个平面,或者叫作倾斜翼面来获得的,它们装在从旋翼轴突出来的支座上。旋翼产生的向下气流作用到这两个平面上,提供了水平推进力,而平面角度则决定飞行速度和方向。

这架直升机的主构架是1根大口径的钢管,从侧面看呈V字型,它由钢索系紧并与6个辅助构件连接在一起。飞行员座椅和发动机安装在V型构架的中心,两边靠近中间的位置上各有1对独立安装的机轮,前后排列。

它的动力装置是1台17.6千瓦水冷式安托瓦内特发动机,冷却用水装在发动机前面的水箱里,汽油装在飞行员身后的油箱里。发动机上方有1个滑油箱,飞行员座椅下方装有蓄电池和点火线圈。

科尔尼在该机试验中遇到了很多困难,其中包括皮带传动系统连续发生故障,发动机工作不可靠等。在他对这架直升机的研究所花费的代价还不是太大的时候,他已经开始制造另一种设计方案的直升机了。他的新方案与他的同胞路易·布雷盖和里歇教授合作试验的直升机有些相似。布雷盖和里歇合作制造的直升机实际上早在1907年9月29日就载人飞离地面。但是,这次飞行没有被普遍承认是首次直升机载人飞行,因为这架直升机是靠人工来稳定的,更明确一点说,就是有4个人分别站在它的4副巨大的旋翼(每副旋翼有4个叶片)的下方,各有1根长竿支撑着,以防止直升机倾覆。这4个人虽然没有帮助直升机升离地面,但对它在空中停留确实起了保证作用。

布雷盖继续进行了垂直升降实验,并于1935年制造出了布雷盖-多朗“实验室旋翼机”,采用的是对转共轴式旋翼。“旋翼机”这个名字含蓄地表明了他在这些年中对直升机始终抱有坚强的信念;而“实验室”这个词则非常适当地暗示了直升机还需要进一步完善。当直升机最后终于取得了与固定翼飞机并列的位置时,它也就证明了科尔尼和布雷盖所作出的努力,甚至包括那些乐观的、显然并无恶意的先生们的努力,是非常有价值的。

气缸旋转式发动机的重大变革

在第二次世界大战中和大战后,航空工业经历了一次动力装置的重大变革,燃气涡轮发动机(包括涡轮喷气和涡轮螺旋桨发动机)开始取代活塞式发动机。在这以前,所有的动力飞机装的都是活塞式发动机。但是,今天几乎没有人能够记得,在早期发生过的一次非常重要的、激动人心的重大变革,这就是1908年的气缸旋转式发动机的重大变革。

直到1903年才进行第一次成功的动力飞行,这主要是由于没有合适的发动机。正像大家公认的,海勒姆·马克西姆爵士早在第一次成功的动力飞行前9年,就制造了一架给人以深刻印象的巨大的双翼机。假如它是从带有下坡度的铁轨上向下滑的话,那它一定会在两台令人惊奇的蒸气发动机的推动下起飞。然而,实用飞机不得不等到20世纪初内燃机问世后才出现。即使到了那时,航空发动机与其说是专门研制的,还不如说是汽车发动机的发展和改型。

在航空的初创年代,成为一名飞行员需要有特殊的才能。他需要有像工程师那样的设计才能,因为他同时必须是主任设计师、主任强度师、重量控制工程师、主任气动力师和主任制造工程师。他还需要有作为一名飞行员的飞行技术,同时还需要有很多钱,以支付整个计划的费用。至于发动机,最早的飞行先驱者中,几乎没有人能有时间、经费和能力设计和制造。莱特兄弟的确制造过一种几乎是新的发动机。但是,就连这种发动机,也是在“波普-托莱多”汽车发动机的基础上制造的。总之,他们的机械师查尔斯·泰勒具有特殊的才能,而且总是习惯于工作到深夜。大多数飞行员只是有什么发动机,就买什么发动机。

1908年以前所使用的发动机是既大又重的。它们都是用铸铁、钢锻件、黄铜块以及铜块制成的,产生735.5瓦功率的发动机,重量约4.5千克。这些发动机装在那些结构单薄的飞机上,简直成了沉重的负担。木制螺旋桨的重量和拉力、驱动轴的扭矩、大型气缸的不规则性和周期性的点火,都使细长的机体承受的载荷大大增加;而发动机的点火有时还将发动机的安装架震掉,有时甚至引起飞机解体。然而,有两个法国人洛朗·塞甘和居斯塔夫·塞甘(他们是兄弟),确信一定能为飞机设计一种新型的、性能优良的发动机。1907年,他们决定设计和制造这种发动机,并定名为“土地神”。不久以后,每个航空爱好者都在谈论这种发动机。

以前的飞机发动机体积大、重量重,主要原因之一是,缺乏一个连续流动的水冷却系统,并配有一个大散热器和连接管道。

塞甘兄弟决定,不用这些装置,仅在气缸上装散热片,将这些热量散到周围空气中。但是,他们认识到,为了保持空气在气缸上高速流动(即使是飞机停放在地面上),必须采取一些措施。他们的方案与常规的布局正相反,是将曲轴固定在飞机上,而将发动机固定在螺旋桨上,因此当发动机开始运转时,发动机随着螺旋桨旋转,而曲轴是不转动的。塞甘兄弟认为,即使不用水冷却,这种发动机也不会热。

为了使曲轴周围的发动机的质量平衡,塞甘兄弟采用了星形布局,气缸像轮辐那样布置。选用奇数气缸(首先选了7个),以使燃烧行程平稳。这些措施使得“土地神”发动机工作得很平稳,整个发动机就像一个大飞轮那样,非常平稳地驱动螺旋桨,机体的振动很小。他们还设计了一个简单的汽化器,以产生富油混合气,供应到中心机匣。在汽化器里,富油混合气通过一个装在活塞顶部的活门,散发到气缸中的燃烧空间中。活塞关闭,以压缩富油混合气,然后,燃气通过在活塞顶部的一个单一排气活门排出。

1908年,第一台“土地神”发动机运转。它转动得像缝纫机那样灵活,那样轻快,功率达到51.5~58.8瓦,单位重量仅为1.9克/瓦。正当其他发动机制造商对这种发动机的出现焦急不安的时候,“土地神”公司已将这种发动机投入批量生产,其生产速度比其他厂商要快得多。“土地神”是第一次世界大战初期最重要的一种发动机,这种发动机还有一些新的型号。这种单活门式的“土地神”发动机避免了由于活门阻塞住活塞而引起的着火危险,这是由于它省去了塞地活门。它采用的活塞是普通的。但气缸是特制的,这种气缸的底部附近有一些小孔。在上升的活塞关闭这些小孔以前,富油程度很高的混合气,经过这些小孔,从机匣排出。利用从排气活门引入的新鲜空气进行稀释,使得工作时混合气的混合比很合适,而且使发动机比较安全。但是,工业界发现,加工气缸是很困难的,它的精度要求达到0.00254毫米!

另一种型号是“罗纳”,它在气缸内的进气和排气活门上采用了现代化技术。大量的“土地神”和“罗纳”气缸旋转式发动机(包括本特利、克莱热、BMW等公司生产的发动机),从第一次世界大战期间开始一直使用到第一次世界大战结束,而且战后还继续用了很多年。气缸旋转式发动机的主要问题是,燃油和滑油的消耗率高。另外,由于旋转发动机的陀螺效应,飞机的操纵性能不好。例如,著名的索普威思公司的“骆驼”飞机,在向左转弯时很缓慢,而向右转弯时像闪电一样快。改进的气冷式气缸,终于使固定式的星型发动机具有了实用价值,因而气缸旋转式发动机被淘汰。现在,气缸旋转式发动机,只能在很少的历史电影或老式飞机展览会上才能看到和听到。但在当时,这种发动机在航空事业中,却是举足轻重的。后来,著名的“土地神”公司和罗纳公司联合组成土地神—罗纳公司。一开始,这家公司特许生产布里斯托尔公司的“朱庇特”星型发动机,在第二次世界大战后,它被合并到法国国营斯奈克玛发动机公司当中。在斯奈克玛公司,至今还有少数老雇员(他们现在正在从事“协和”飞机的动力装置的工作),会告诉你关于几十年前的气缸旋转式发动机的重大变革。

阿·维·罗的试验与挫折

人们普遍认为,并且在书刊上也不止一次地提到过:阿·维·罗曾参加了阿维罗公司的“兰开斯特”轰炸机的设计。事实是,该机于1942年开始服役,而他早在1929年就离开了这个以他的名字命名的著名的公司。

当然,他所取得的成就不需要添枝加叶就足以能确立他在航空发展史上的地位。他的这些成就是在很早的时候作出的,因而他在1912年4月就把他早期的成果写成一本传记,这本传记的书名也就是我们这篇文章的标题。我们不妨先从中抄录一段,让这位伟大的英国先驱用他自己的话来开始他自己的故事: