书城科普读物科学奥秘丛书-飞天之翼
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第13章 航天事业的变革(5)

人力飞机在美国始终没有引起航空界的足够重视。20世纪60年代加州诺斯洛普工业学院的学生制成一架双座人力飞机,前后座的乘员手脚并用驱动螺旋桨。此外,麻省理工学院的学生还制造过一架双翼人力飞机,但都一般,没有技术上的突破。1976年加州的航空工程师麦克格里迪异军突起,制成一架别出心裁的人力飞机“蝉翼秃鹰号”。麦克格里迪是一位滑翔运动员,对悬挂式滑翔机有着强烈的爱好,他在设计时打破了最流行的人力飞机方案,用一块挡板代替了流线型舱罩,飞机前面伸出一根细长的铝管装着鸭式小翼,用它来控制飞行。这架飞机翼展长27米,重量只有32千克。最后,麦克格里迪又请来一位大力士——自行车运动健将艾伦驾驶,此人能在短时间内蹬出882.6瓦。

1977年8月23日,“蝉翼秃鹰号”人力飞机一举攻下18年没有攻克的难关,完成了8字飞行。它总共飞了7分27.5秒,航程2173米,其中有1800多米用于完成8字形。

1977年11月30日,英国皇家航空学会确认了这一成绩,宣布由麦克格里迪荣获克莱默奖。

克莱默奖的创立者亨利·克莱默得知这一消息后祝贺说:“真高兴,我等待了18年……这一事实说明,世界上没有做不到的事情!”

1978年初,克莱默又通过英国皇家航空学会宣布设立新奖:以10万英镑(约合18.5万美元)给予第一架飞越英吉利海峡的人力飞机。消息传来,舆论哗然。这项苛刻的要求真可谓是“高高悬挂在海峡架上的一串‘酸葡萄’”。就在人们正争论这一目标是否现实的时候,由麦克格里迪设计、艾伦驾驶的另一架人力飞机“蝉翼信天翁号”很快便摘取了这串“酸葡萄”。此事发生在1979年6月12日,这天清晨天气晴朗,海峡风平浪静,“蝉翼信天翁号”以每小时22千米的速度,3~6米的高度从英国海岸飞越海峡,降落到法国格里内角的海滩,历时2小时50分钟,航程37千米,创造了航空史上又一次奇迹。

世界上最早的装多发动机的飞机

在一架飞机上装两台以上的发动机,出于两方面考虑:获得更大的功率和增加飞机在发动机发生故障时安全系数。最早在飞机上装两台发动机的是海勒姆·马克西,他获得了多项专利,其中包括多台发动机设备的专利。他们在广告中宣称:“肖特的双发动机系统,能使飞机在飞行中不用害怕因发动机停车,而突然下降。”

这是在航空安全方面的一个重大的进展,按照肖特专利制造的第一架飞机,是很引人注目的。它最后被称为“三·二”型飞机。这个名字表明,它装有三副螺旋桨、两台发动机。1911年9月18日由弗兰克·麦克林进行了首次飞行,这架飞机就是他制造的。接着又进行了另一次飞行。这次飞行还搭乘了一名乘客,他是著名的海军飞行员、海军中校C.R.萨姆森。飞行中两台发动机交替收油门。

“三·二”型飞机的两台发动机是法国“土地神”气缸旋转式发动机,整台发动机是旋转的。两台发动机串联安装。一台装在发动机短舱或机身的前部,一台装在后部。在两台发动机之间,两名乘员的座椅并列配置,前面的发动机驱动两副牵引式螺旋桨,这两副螺旋桨装在机翼之间的支柱上,而后面的发动机直接驱动一副推进式螺旋桨。牵引式螺旋桨通过链条,由发动机驱动。

除了装两台发动机以外,“三·二”型飞机的另一个显著的特点是:装有两套飞行操纵机构。因此,每名乘员都能操纵飞机飞行,而无需换座位。驾驶杆前后移动,使飞机进行爬升和下降。驾驶杆的顶部是一个操纵轮,旋转操纵轮,使飞机产生左右坡度,用脚踏杆操纵方向舵。

肖特兄弟还制造了另一架类似的飞机,名叫“串联双发”。它的前面的发动机直接与一副单独的牵引式螺旋桨相连。

在研制多发动机飞机方面,另一个著名的先行者,是俄国的设计家、制造家和飞行员叶戈尔·西科斯基。1911年度,差不多在“三·二”型飞机试验的同时,西科斯基已开始考虑制造一架大型飞机了。1912年9月,他为这项计划谋求到了财政支持,可是技术上的困难是很多的,也是很大的。由于飞机的尺寸很大,它的翼展长达28米,所以西科斯基在飞机上装有4台发动机。这些发动机装在下机翼上面,两对串联配置。这架大型飞机给人以深刻的印象,虽然它的正式名称叫“俄罗斯勇士”,但人们通常都称它为“巨人”。旅客舱前面的封闭式驾驶舱,也是这架飞机的一个显著的特点,有人曾警告西科斯基,这驾驶舱会使飞机无法飞行,因为飞机偏离正常的飞行姿态时,驾驶员不能很快的辨别,而且有一个问题是实际存在的,那就是一架既大又重的飞机要用什么形式的起落架。当时没有合适的大型机轮,因此,这位大胆的设计师决定采用16个机轮,飞机的每边装4对机轮。它用结实的滑轨装在一起,就像一个雪橇上的滑行装置。

西科斯基和他的工人们没有受到宗教迷信的影响,他们在1913年5月13日驾驶世界上第一架四台发动机飞机“巨人”首次进行了试飞。这天进行试飞的军用机场一直都很忙,到了晚上9时左右,西科斯基才开始进行准备,原定于第二天进行试飞。但是,此时的机场是空闲的,而且时值俄罗斯的“白夜”(晚上天不完全黑),光线尚比较充足,还能保证一小时的飞行。所以,西科斯基虽已很疲劳,但还是决定利用这段时间驾驶“巨人”升空飞行。

西科斯基坐在座舱的操纵台前,座舱的前面是一个敞露的平台,平台上站着一名机械员,由他向拉住机翼的人们发出松开飞机的命令。主舱内还有一个人,他的任务是当飞机“后重”或“前重”时,向前或向后移动,进行平衡。驾驶员用2分钟时间对4台73.55千瓦的“阿格斯”水冷式发动机进行试车,然后向站在机头上的机械员发出起飞信号。随着大家把手松开,这架大型的双翼机便缓慢地向前滑行。当速度增大时,机身后部(它也放在滑橇上)开始上翘,操纵系统开始起作用。当向后松杆时,西科斯基开始感到,机轮沿地面滑动而引起的振动消失了,一架四台发动机飞机首次升空了。

正如驾驶员后来记录的那样,“这架飞机飞得很好”。显然,站在“平台”上的那个人也感觉到了这一点。因此向地面上聚集的人群挥手致意。然后,为了试验一台发动机发生故障时可能产生的影响,飞行员将一台发动机的油门收到底,“巨人”飞机仍然是可操纵的。

离机场约1.6千米处,这架大型飞机开始转弯着陆,正如驾驶员叙述的那样,着陆时是相当平衡的,当飞机停下来时,机械员下机检查起落架,准备进行滑行。但是,尽管一切情况良好,也无法进行滑行,因为人群已冲进机场,拥向“巨人”——正如西科斯基后来叙述的那样:“像潮水那样涌来。”三名飞行员登上“平台”,向人群挥手致谢。

至此,这位俄国设计家确信,他的关于大型多发动机飞机方面的理论,基本上是正确的,第一次飞行的主要缺点是,起飞和爬升速度性能不好,前面已经提到这架飞机的四台发动机是成对串联配置的。前面两台发动机驱动牵引式螺旋桨,后面两台发动机驱动推进式螺旋桨。这意味着,后面的螺旋桨是在前面螺旋桨的滑旋中工作,所以效率低。发动机和螺旋桨一开始就是这样安排的,因为西科斯基想使发动机尽可能靠近飞机的中心线,其目的是,如果一台发动机发生故障,它对飞机的操纵性的影响,会比发动机装在机翼远离中心线的情况下要小。然而,这架飞机在“非对称推力”的情况下的操纵性是很好的,所以,西科斯基决定重新配置发动机,使四副螺旋桨都能发挥出最佳效率。因此,他将后面的发动机移到下机翼下装在前发动机外侧,使得四台发动机分开安装,同时都驱动牵引式螺旋桨,即使这样配置,在一台发动机停车,甚至在飞机一侧的两台发动机都失灵时,方向舵对飞机的操纵作用仍很有效。

在后来的年代里,叶戈尔·西科斯基完全可以声称,创造大型四台发动机飞机是航空初创阶段最重要的事件。

燃气涡轮发动机的革命

众所周知,喷气发动机“与大型吸尘器很相似,它从前面吸入空气而从后面喷出”,这已是众所周知的事。1941年英国皇家空军一位年轻军官对喷气发动机所作的这一描述,真可谓恰如其分。但还需作一点补充。飞机的喷气发动机也就是一台燃气涡轮发动机,它产生于20世纪初,从1916年或更早时候就已考虑到用于飞机。这种可称作燃气涡轮的装置被列入航空专利是在19世纪中期。燃气涡轮也是一种喷气推进发动机,在过去约两个世纪的时间里,各种形式的喷气推进装置都曾被考虑用作航空动力。但在1928年飞行学员弗兰克·惠特尔提出将燃气涡轮与飞机结合在一起之前,没有一个人想到过这点,他的想法是:单独使用一台燃气涡轮提供喷气动力。这样一个非常简单明白的想法却未被大家想到,但他的想法一经提出,却得到众多专家的支持。他们认为完全可以试一试。

燃气涡轮由三个基本部分组成。进气口一端装有一台压气机,它将稳定气流吸入并进行压缩。中间部分是一个燃烧室,燃油与空气在这里混合并稳定燃烧,其工作程序与喷灯或煤气炉的情形一样。排气口处装一台燃气涡轮,由燃烧中排出的热气流带动这个装有许多叶片的轮子高速运转。只要再用一根轴把燃气涡轮和压气机连接在一起,就制成一台完整的发动机。按照人们的设想,只要能不断地、及时地供油,这种发动机就可持续运转下去。燃气涡轮确实能提供有用功。如果涡轮只拿出所需的能量带动压气机,那么热气流中剩余的能量就足以使气体膨胀并通过收缩喷管以很大的速度喷入大气,从而靠其反作用为飞机提供一种极大的、持续的向前推力。这样的发动机被称作涡轮喷气发动机。另外一种涡轮发动机,其涡轮从燃气流中得到的能量大大超过带动压气机所需的能量。因而在其旋转轴末端有剩余能量。这部分能量被用来带动一部减速传动装置。通过它带动一副螺旋桨。这样的发动机叫作涡轮螺旋桨发动机。

20年前,人们在未来飞机动力问题上,曾取舍于涡轮喷气发动机与涡轮螺旋桨发动机之间。涡轮喷气发动机简单、轻便、结实、便宜。它可提供足够的起飞推力和良好的高速飞行推力,被看作是结实耐用,大批生产的军用飞机的理想动力装置。它的不足之处是耗油率高和噪音太大;但这种新型发动机冲破了当时活塞发动机对飞机飞行性能的提高所造成的局限性,因此,它的缺点比起这一巨大的优点就像沧海之一粟。采用活塞发动机的飞机,要想将其756千米/时左右的最高速度极限(这恐怕是实用活塞发动机飞机的最大速度了)再提高一些,将需要做很大努力;而喷气发动机却迅速开辟了965千米/时和更高速度的发展前景,并为实现超音速飞行的理想带来了希望。

相比之下,涡轮螺旋桨飞机的发展目标并未全部放在开辟飞行性能的新领域方面,而是着重改善飞机在速度为400~645千米/时的效率,特别注重飞机的平稳和乘客的要求。