书城工业技术征服太空之路丛书:微型航天器-航模
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第16章 航空航模精英会(1)

航模活动受到许多国家政府的高度重视,因为它在航空航天事业的发展和科技人才的培养方面起着十分重要的作用。历史上许多在航空航天方面作出了巨大贡献的人,他们的成就往往是从玩航模开始的。

在飞机发明之前,航模具有强烈的探索性质。飞机的主要探索者、发明人、研制者如英国的乔治·凯利、德国的李林塔尔、美国的莱特兄弟和中国的冯如,都曾利用模型飞机进行过大量实验。在飞机发明之后,航模仍然是研究航空科学的必要工具。每一种新飞机的试制,都要先在风洞里用模型进行试验,甚至连航天飞机这样先进的航空器,也要经过模型试验阶段,取得必要的数据,才能获得成功。这是因为航模是最经济、最可靠、最安全、最有效的实验手段。

英国人乔治·凯利爵士,是公认的“飞机的创始人”。他为重于空气的航空器创立了必要的飞行原理,而在这之前,航空是“一门在公众眼中接近于荒谬可笑的科学”。

英国“航空之父”乔治·凯利一生中设计了多架滑翔机,并进行过载人试飞。在他23岁的时候,乔治·凯利曾制造过一个直升机模型,并在随后的日子里通过研究鸟的推动力,多次制造出改进型的滑翔机原型机。他曾研究了风筝和鸟的飞行原理,于1809年试制了一架滑翔机,但在后来的试验中被撞毁了。

航空航模精英会1847年,已是76岁的凯利制作了一架大型滑翔机,两次把一名10岁的男孩子带上天空。一次是从山坡上滑下,一次是用绳索拖曳升空,飞行高度为2~3米。4年后,由人操纵的滑翔机第一次脱离拖曳装置飞行成功,凯利的马车夫成为第一个离地自由飞翔的人,飞行了约500米远。

凯利对飞行原理、空气升力及机翼的角度、机身的形状、方向舵、升降舵、起落架等都进行了科学的研究和试验,他首次把飞行从冒险的尝试上升为科学的探索也因此被称为“航空之父”。他主要的理论反映在其著作《论空中航行》中。这本书在航空发展史上占有重要的地位,100多年来,一直被翻印转载,被后人视为航空学说的经典。

1881年,法国人穆亚尔在其出版的著作《空中王国》中,提出固定翼滑翔机的思想,把乔治·凯利的思想进一步发扬光大。1912年,飞机发明人之一的奥维尔·莱特曾说,他们的成功完全要感谢这位英国绅士在100年前写下的重于空气的飞行器的理论。他说,“乔治·凯利爵士所知道的有关航空原理可以说前无古人,后无来者,直到19世纪末期,他所出版的作品毫无错误,实在是科学史上最伟大的文献。”奥维尔的兄弟威尔伯·莱特也说,“我们设计飞机的时候,完全是采用凯利爵士提出的非常精确的计算方法进行设计计算的”。

1857年12月15日,凯利在约克郡布鲁姆顿去世。临终前不久,他曾写下这样两句话:“给你,查看笔记的朋友!我已去了,愿你在这些涂鸦中寻找出智慧的火种。”

知识点《论空中航行》

1809年,乔治·凯利最重要的著作《论空中航行》在自然哲学杂志上发表。在该论文中,他给作用在重于空气的飞行器上的四种力——升力、重力、推力和阻力下定义;确定升力的机理是与推力机理分开的。至此,凯利已认识到鸟类翅膀不仅具有推进功能,也具备产生升力的功能。人类飞行器如果用不同装置分别实现上述功能,将会比单纯模仿鸟类的飞行动作进行飞行容易得多。这一重要发现奠定了固定机翼形式的飞机的基本构思和理论基础。他详尽地勾勒出现代飞机的轮廓,描绘出固定翼、机尾、机身以及升降舵等操纵面,解释了机翼的作用,并指出适当的安定性要从精心设计翼面使其有一点点角度获得;接着他又提到飞行器必须迎风而起,必须有垂直的和水平的舵面。他的《论空中航行》被后人视作是航空学说的起点。

德国人奥托·李林塔尔是世界公认的“滑翔机之父”。最早的可操纵滑翔机便是由他发明的。从1891年到1896年,李林塔尔先后制造了18种不同的滑翔机,其中有12种是单翼机,6种是双翼或多翼机。他的滑翔机除了翼面积的大小和布局不同外,机翼形状几乎是一样的,很像天空中飞行的大鸟的翅膀。

李林塔尔还善于创制仪器,进行航空实验来验证观察的结果。他注意积累数据,总结经验,纠正了前人“多层叠置窄条翼”的片面做法,第一次提出了“曲面机翼比平面机翼升力大”的观点,为后来飞机的成功发明作出了决定性的贡献。他所著《鸟类飞行是航空的基础》一书,被后来的飞行探索者奉为经典之作。

1891年,李林塔尔制成一架蝙蝠状的弓形翼滑翔机,成功地进行了滑翔飞行。1894年,他从柏林附近的悬崖上起飞,成功地滑翔了350米。这是当时世界上最远的滑翔距离记录,也是航空史上最早的飞机性能记录之一。在1893到1896年的三年内,李林塔尔进行了两千次以上的滑翔飞行试验,三次改进总体布局,滑翔中又拍了许多照片,积累了大量数据,并以此编制了《空气压力数据表》,给美、英、法等国的飞机制造者们提供了宝贵的资料。

李林塔尔进行滑翔飞行但是李林塔尔过于重视升力,忽视了对机器的操纵。他认为改变身体重心的位置是保持滑翔机稳定的唯一办法,这一失误对他来说是致命的。1896年8月9日,他驾驶滑翔机在里诺韦山遭遇强风而坠落,在他还未来得及将重心前移以使滑翔机低头之前,便和飞机一同坠落到了地面,次日辞世,年仅48岁。德国人为了纪念他的功绩,为李林塔尔树立了一座纪念碑,上面写着“最伟大的老师”。他留给后人的最后一句话是:“要想学会飞行,就必须作出牺牲。”

李林塔尔虽然死了,但他给后人留下的遗产是巨大的。后来的飞行探索者,包括第一架动力飞机的发明者莱特兄弟,都从李林塔尔的研究试验成果和勇敢探索精神中吸取了宝贵的经验。

知识点单翼机

单翼机是仅有一个主机翼的飞机,是现代飞机的主要形式。单翼机可分为带撑杆的单翼机和不带撑杆的张臂式单翼机,应用最广泛的是张臂式单翼机。

按机翼相对于机身上下位置的不同,张臂式单翼机又可分为上、中、下三种单翼飞机。上单翼飞机具有向下视界广阔,干扰阻力小的优点。多数上单翼飞机存在起落架高,不易收放,飞机重量大的缺点。中单翼飞机的气动阻力最小,起落架也比上单翼飞机低。机翼直接穿过机身中部,结构受力形式好,便于采用翼身融合体结构。因此,现代战斗机多为中单翼飞机,如苏-27等。缺点是机翼结构穿过机身中部影响机身空间的利用。下单翼飞机的最大优点是起落架短、重量轻,易于收放,迫降时易于保证旅客安全。很多旅客机,如美国的波音747就是下单翼飞机。下单翼机的缺点是气动阻力大。

威尔伯·莱特和奥维尔·莱特兄弟,是美国俄亥俄州一名牧师的儿子,他们从少年时代就对飞行十分感兴趣。1895年他们开了一间自行车修理和制造作坊,并开始研究和制造飞机。兄弟俩没有受过高等教育,但他们虚心好学,十分重视理论和实践,阅读了大量空气动力学方面的文献,为了读李林塔尔的著作,他们甚至自学了德文。1899年,哥哥威尔伯·莱特向史密森学会索取了大量有关航空的书籍和文章,进行了系统的研究。

在总结前人的经验和教训的基础上,莱特兄弟开始了他们的滑翔飞行试验。从1900年至1902年,他们先后制造了三架滑翔机,进行了上千次的飞行试验,每次都详细地记录了不同情况下的升力、阻力、速度等数据,并对操纵进行了反复的改进。1901年9月,莱特兄弟自己设计了一个小型风洞,用来精确测量气流吹到薄板上所产生的升力,并自己设计制造出了测量升力和阻力的仪器。

1902年,兄弟俩设计出了他们的第一架飞机,但在当时却没有哪一个公司愿意冒险制造航空发动机和螺旋桨,于是莱特兄弟只有自己动手。他们首先设计出图纸,然后在自行车技师泰勒的帮助下,花了六个星期的时间制造出了一台12马力的活塞式发动机。这台发动机有四个汽缸,采用水冷方式,其总重(包括附件、水和燃料)约为91千克。至于螺旋桨,当时根本没有什么数据资料或是计算公式可以供莱特兄弟参考,他们也只得从头开始研究理论。经过艰苦的努力,终于制造出了一种效率比较高的螺旋桨。

莱特兄弟的“飞鸟一号”1903年12月17日,莱特兄弟制造的第一架飞机——“飞鸟一号”(flyer-1),出现在北卡罗莱纳州的基蒂霍克海滩上。它的机身骨架和螺旋桨都是用又轻又牢的枞木制成的,机翼是桉木的,弯曲的机翼上蒙着薄薄的但十分结实的棉布。飞机的长度为6.5米,翼展12.3米,整架飞机的重量为280千克,飞机完全靠螺旋桨的推动力起飞。

这一天里,“飞鸟一号”总共进行了四次飞行。第一次试飞是由弟弟奥维尔驾驶的,飞机摇摇晃晃地在空中飞行了12秒,在36米远的地方降落下来。第四次飞行由哥哥威尔伯驾驶,飞机在空中飞行260米,历时59秒。这59秒虽然很短暂,但却是得到公认的人类第一次自由飞行。威尔伯·莱特和奥维尔·莱特兄弟俩的名字,也因此在人类飞行史册里大放光芒。

特级飞机设计师雅科夫列夫

亚历山大·谢尔盖耶维奇·雅科夫列夫,前苏联著名飞机设计师,对前苏联航空业作出过巨大贡献。他设计的飞机操纵简单,气动性能好,先后有75种雅克型飞机投入批量生产,总产量约66000架。他领导设计的机种范围广,包括歼击机、截击机、轰炸机、教练机、体育运动飞机、垂直起落飞机、直升机和旅客机。其中重要机型有雅克-3、雅克-9、雅克-17(苏联第一种喷气式歼击机)、雅克-18、雅克-24(苏联第一种直升机)、雅克-25(苏联第一种全天候截击机)、雅克-36(苏联第一种垂直起落飞机)、雅克-40和雅克-42(三发动机喷气客机)。因为航空事业上的贡献,雅科夫列夫曾获得八枚国家勋章和一枚国际航空协会金质奖章。

雅科夫列夫能取得这样的成就,与他青少年时期就勤于动手、热爱航空有很大关系。

1914年,9岁的雅科夫列夫进入斯特拉霍夫私立男子中学学习。他曾当过学生文艺史杂志的编辑和话剧组的成员,却对技术小组最感兴趣。起初他醉心于参加无线电小组的活动,后来转向航空模型和滑翔机制作。

雅克-15改进而来的雅克-17歼击机1923年,雅科夫列夫中学毕业,他最大愿望就是当一位飞机设计师。他从报纸上看到一则通告,得知1923年11月间将在克里木举行全苏首次滑翔机竞赛,便抱着满腔热情,去拜见竞赛的组织者——当时前苏联著名的飞行员兼设计师阿尔采乌洛夫。阿尔采乌洛夫热情地接见了他,并安排他当飞行员安诺申科的助手。由于雅科夫列夫工作异常积极努力,因此被派到克里木参加首次滑翔机竞赛。由尼古拉·德米特里耶维奇·安诺申科设计,雅科夫列夫参加制造的滑翔机“蛮猴”,由于尾翼太重,仅飞行了数米便掉了下来。虽然这次滑翔机竞赛失败了,但这种不是借助任何航空发动机,而仅仅靠滑翔机完善的性能和飞行员熟练的技巧的飞行,却给他留下了深刻印象。从此,雅科夫列夫坚定不移地选择了航空这一职业。

首次全苏滑翔机竞赛之后,雅科夫列夫就产生了亲自尝试设计一架滑翔机的念头。在空军学院学员谢尔盖·弗拉基米罗维奇·伊留申的帮助下,雅科夫列夫学习了许多设计滑翔机的技术知识,独自做完了滑翔机的全部计算并绘完了全部图纸。随后他来到了毕业不久的母校,在那里组织滑翔机小组来完成滑翔机的制造。有15个同学参加了他组织的滑翔机小组。所有滑翔机用的零件,都是他们自己动手从航空工厂领到了航空材料用手工制造的。经过数月的努力,他们制造的滑翔机成功了,并通过了专门委员会的鉴定,被允许参加全苏第二届滑翔机竞赛,同学们都兴奋异常。

竞赛的这一天,他们把滑翔机牵引到起飞线。经过技术委员会彻底检查后,驾驶员坐到座舱里,一见起飞信号,滑翔机即刻开始滑跑,飞向空中。驾驶员对他们设计制造的这架滑翔机很满意。人们确认,这架滑翔机的结构设计是成功的。雅科夫列夫因此得到了200卢布的奖金和一张奖状,这次成功是对他极大的鼓舞。一年以后,他又设计了一架新型滑翔机。