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伊卡洛斯的诱惑

admin  发表于 2017年09月17日

伊卡洛斯的诱惑

Shawn Carlson *

 

随着新的设计和新材料的出现,人力飞行向远距离飞行记录挑战。

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一个有名的寓言告诫人们提防因兴裔而忘乎所以的危险.据传说,一位卓越的希腊工代达罗斯为他自己和他的鲁莽而年青的儿子伊卡洛斯(希腊神话中的人物,因飞近太阳,装在身上的蜡翼遇热融化,坠海而死)用蜡精心制作了两对壮丽的羽翼。一旦进人空中,伊卡洛斯因受飞行的刺激变得如此之欣喜若狂,以致他忽视了他父亲要保持、靠近海的忠告.当他翱翔得太高时,太阳融化了他的翼,伊卡洛斯骤然跌落致死。这个寓言已持续了3000年,或许因为我们很容易把自己摆在伊卡洛斯的位置。总之,谁不曾梦想象鸟一样飞翔?

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对少数有幸的人.这一梦想正逐渐更接近于现实.此外虽然人力飞行可能不十分象鸟,但它还是获得成功.依赖超轻型、却又异常牢固的太空时代的材料.现代的、以飞行员为动力的飞行器用仅重34公斤的32米的翼展进行飞行.在全世界各处的小型机场,少数致力于此的航空工程师正在为它们的最小机器添加更好的性能。创纪录的飞行已超过115公里(70英里),而且飞行时问长达4/小时。虽然按照其发动机能提供1万千瓦以上动力的商业飞机的标准来看,人力飞行的功能是很小的,但如按当作发动机用的飞行员仅能维持只够为几个灯泡的照明提供动力的条件下取得这些成就是值得注意的。此外,这新一代的飞行器已超过了如象伊卡洛斯一样的自大,这种自大破坏了早先的设计,而且有时为飞行员带来了灾难。

 

人力飞行的到来花了几个世纪.包括达·芬奇在内的所有最早的航空革新者都完全把精力集中在以人作为动力上,因为没有其它的能源可利用。当1903年赖特兄弟在北卡罗来纳州基蒂霍克以他们的成功证明了内燃发动机用于航空的可能性时,工程师们争相接受建造以机器为动力的飞机的挑战。人力飞行的诱惑突然失去了它的光彩。

 

但是,少数着迷的人拒不放弃这一梦想。在基蒂霍克事件后几十年有过为能实现不大飞行范罔和空气动力学控制之成就的人力飞行器提供的几笔奖金。1933年法兰克福的一个组织(多技术协会)为能围绕两个千H距500米的标志飞行的第一架人力飞机悬赏5000马克的奖金。两年后他们把这笔奖金金额增加到10000马克。这笔奖金确实吸引了一些老练的没计师们,然而那时的环境对于成功来说还不成熟.在前苏联和意大利都悬赏了类似的奖项,但均无人领取.

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之后在1959年,一位富于幻想的英国工业家为能证明具有如早先赖特飞行器的相同程度的空气动力学控制之第一部人力飞行器悬赏5000英镑的奖金:艮lJ围绕相距五分之四公里的两个标志作8字飞行。这项奖的确导致了一些重大进步,虽然又花了18年时问,而且在必要的技术和设计才能将同时到来之前奖金。

 

1977年8月,上述条件终于得以实现,那时24岁的自行车爱好者BryanL.Allen蹬着一辆革命性的轻型‘秃鹰’围绕规定的线路飞行并进入了史册。今天这架‘秃鹰’收藏在史密森学会的国家航空航天博物馆内。

 

第一个问题是动力。最好的运动员只能持久输出400瓦的功率。为了以这种小动力进行飞行,‘秃鹰’需要比DC~9型飞机更宽的达29米的翼展,然而它的重量不能超过那个尺寸的悬挂式滑翔机的三分之一一。存翼后的可移动襟翼(即副翼)太不方便了,不能控制此飞机。为了解决控制的问题,该小组安装的翼在转弯时可扭曲(赖特兄弟也采用的一种手段),而且在飞行员前面几米处安装了一个小的可倾斜的稳定翼。

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.为了开始左转,飞行员扭曲机翼以增大左翼的升力而减低右翼的升力——与一般的飞机副翼所进行的操作相反。然而有异常形状的轻型秃鹰(实际上只有一个飞行翼),左翼-I二较大的阻力使此飞行器向左偏转(即侧向转动),而且同时地左翼滚下而右翼上升把飞行器带人很协调的左转。前面小的稳定翼起鹰尾羽毛的作用,向空气施加力以限制偏转的程度。

 

无论是Kremer或MacCready均未达到目的。Krcmer知道,是LouisBlcrior1909年横跨英吉利海峡的飞行激发了欧洲对飞机的热忱。Kremcr希望对人力飞行器产生相似的振奋,所以立即表达他对重复Blerior的业绩的第一架人力飞行器愿资助更大得多的一笔资金的意图。这一宣布使MacCready的研究小组开始了开发远距离飞行器的竞赛。名叫小型‘信天翁’的这种飞行器是‘秃鹰’的瘦型而漂亮的复制品,它采用了先进的复合材料和改进了流线型,但没有新意。MacCr.eady的研究小组开发这种飞行器如此之迅速,以致Krcmcr的1O万英镑的竞赛正式开始时,‘信天翁’已飞行了六个月。1979年6月12日,再一次驾驶MacCready的飞行器而进入了史册。在与逆风搏斗使得飞行比预计时问延长了1小时的情况下,他在169分钟内以人力飞越了35公里的海峡。

 

遗憾的是,Allen的飞越海峡的壮举没有如Krcmcr所曾希望的那样激起人力飞行的复苏。凶此在1983年Krcmer悬赏了另一笔奖金,这次是为了提高速度——为在不到3分钟的时问内飞过1500米路程一个三角形之第一次人力飞行奖12万英镑。获胜者必须以小时平均a公里的速度飞行。


Krcmcr的超过10万英镑的兰金仍在等待被人夺取:为飞完40.5里的复杂的马拉松线路之第一架力飞行器奖励5万英镑;为人力水一】飞机奖励1万英镑:为能在极小风下飞行而不是一般所要求的在静_【空气中飞行的飞行器奖励5万英镑这些奖金不断地刺激着认真的研究。迄今,已建成将近100架人力一行器并在世界各处飞行。

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当前的远距离纪录为KantllosKanellopoulos所创造,他-]1988年,在差一点到4小时的时问}J从克里特岛到桑托林岛飞行了11公里,几乎完成了伊卡洛斯的神旅行。他平均仅离水面5米飞行。耍象伊卡洛斯那样,当一阵狂风突折断飞行器的尾梁时,Kancllcpoulos也坠人爱琴海。他落人拍海浪的地点仅离他的日的地10米遥。

 

新一代的冒险者仍很快接近这一记录。300个大学生志愿人员幂100个工业专业人员1997年夏天19个综合研究小组中工作,以装西称为‘渡鸦’的一种人力飞行器,飞行器可能是所曾没想的这类飞爷器中最复杂的一种。如果事情进居顺利,1998年冬季的某个时候,‘渡鸦'将以1小时的飞行时间飞完近45公里而打破Kanellopoulos的记录

 

.波音公司的PaulR.I1lian和HeatherA.Costantino领导了志愿参加的工程师小分队以设计这种高技术奇迹.‘渡鸦'的承载结构是精密制造的高强度碳石墨.外壳和推进器是由起皱的碳一石墨织物和泡沫夹层制成。虽然‘渡鸦’的翼展是令人敬畏的35米和有33平方米的表面积,但它的重量只有区区34公斤,相当于波音777所载所有枕头的重量。它的特别设计的自动控制器将操纵尾舵和升降舵(它的仅有的控制表面)。‘渡鸦’应在约6米高的空中以32公里/小时以上的速度航行。

 

当‘渡鸦’正在争得这一荣耀时,其它的飞行器因纯科学的缘故正在被建造,以更好地弄清飞行器怎样在这种极低的速度(物理学家喜欢说低雷诺数,它定量流体如何流过物体)下飞行。剑桥大学的JohnMcIntyre是一个小型但有高度献身精神的研究人员小组的一个成员,他们正在系统地弄清这些机器的每一个空气动力学同题。作为一位长期研究人力飞行的老手,他目前的飞机空中之光被装上仪器以分析此飞行器性能的一些微妙的问题。McIntyre利用他得到的每一个机会驾驶这架飞机。他坚持强调,很容易理解一些人为什么是如此热衷于人力飞行器。

 

McIntyre评论说:这是一个极端的世界。每样东西都必须尽量变化。我们有能够用一只手托起的飞机,它能用点亮一个灯泡所需的能量飞行却具有商用飞机的翼展。这些极端飞行器的应用已接近于实现。利用由人力飞行器所获得的经验,MacCready的研究小分队已开发了无人驾驶的‘开拓者’号太阳能飞机。1997年7月,‘开拓者’号以21.8公里(71500英尺)的高度创下了推进器驱动的飞机之新的高度记录。下一代太阳能飞机将把‘开拓者’的30米宽的翼展扩展到令人吃惊的67米,比几乎其它任何飞机都要宽。这些飞行器能把高度记录增高到30.5公里(100000英尺),而且在稍微轻低的高度起一种穷人卫星的作用,在白天以太阳能晚上以电池能漫游同温层的情况下观测地球和天空而度过数月。

 

虽然这种可能性是诱人的,但21世纪的历史学家之所以注意人力飞行的遗产,很可能是因为它对我们的地面交通的改进而不是空中交通的改进有用。在寻找把能量蓄存在人力飞行器舱中的途径——通过飞行人员脚踏而使电池充电的方法——时MacCready的研究小组对非常有限的电池能量获得有效的应用有了深入的了解。实用的电动汽-车是所得技术的一个例子。加利福尼亚州帕萨迪纳市MacCready所在的AcreViro础en讼司于1989年为通用汽车公司开发了全电动汽车(Impact~,现在以EV1的名称上市)。MacCready在为他的公司在这一领域的成功作出努力时充分利用他在追求脆弱的飞行机器时,他的研究小组所获得的经验。

 

伊卡洛斯的诱惑无疑将继续鼓舞我们未来的一代又一代的工程师们。逐渐地更加接近人类本能的绝对极限的挑战为课堂上不可能完成的使理论与严峻的现实连接起来,迫使我们的工程师们以革命的方式而不是进化的方式去考虑问题。为把我们带向更加接近伊卡洛斯的古老的梦想而斗争,这些年轻的技术专家正为使我们大家过上更好生活所需要的技能精益求精。

 

图1 达·芬奇绘制了这部外观奇特的飞行机器.他总共对人力飞行这一题材描绘了500多幅图,写下了3.5万个单词的文字说明.虽然他的概念是富有想象力的,但在他那个时代的材料科学和航空学是太原始了,不可能取得成功.

 

图2 两种革新的设计赢得了由英国工业家HenryKremer资助的奖项.轻型秃鹰(上图)是1977年展示的能保持飞行和空气动力学控制的第一架人力飞行器.1984年美洲蝴蝶B(MonarchB,下图)创下了速度纪录,仅用了不到3分钟就飞行了15oo米路程的一个三角形.

 

图3 空中之光(Airglow)足已进行过研究性飞行的儿种飞行器之一。它的仪暑被设计用来探索飞行器在极慢速度一F一1行所遇到的空气动力学特性.

 

图4 渡鸦 (左图的模型〉将试图在1997年冬季以持续约5个小时的时间连续飞行1创公里.因为有35米的翼展,所以宫是所曾建造过的最大的人力飞行器.它的设计师使用广泛的计算机模拟(下回弘达到了必须仅以3∞瓦的动力使飞机进行飞行之可能的最佳性能.


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