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蒸汽动力:从飞机到航母上的弹射器(科普.原创) 精选

已有 2645 次阅读 2017-9-10 11:01 |个人分类:航空知识|系统分类:科普集锦

沈玉清 沈海军 文


蒸汽是一种古老的动力,蒸汽机是一种将蒸汽能量转换为机械功的往复式动力机械。世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家亚历山大港的希罗于公元1世纪发明的汽转球,虽然它只是一个玩具,依然可视为蒸汽机的雏形。
18 世纪,蒸汽机经瓦特等人改良后,开启了人类历史上最为轰轰烈烈的一次革命——第一次工业革命。直到20 世纪初,蒸汽机仍然是世界上最重要的原动机,后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。
最近,网上出现了一款名为“蒸汽战机”的电子游戏。这是一款回合制的飞机射击战斗游戏;游戏主角乘坐的是古老的蒸汽战机,玩家驾驶蒸汽飞机,使用枪械、导弹或者毒气来打败敌人,完成一个关卡后即可进入下一关卡。每通过一关,玩家乘坐的蒸汽飞机的火控系统和性能都会升级,并有新的任务需要完成,游戏整体颇具挑战性。令人感到新奇的是,玩家在玩此款游戏的同时还能体验到早年蒸汽飞机时代的感觉,这一点在音乐和游戏界面上都得到了体现。

讲到这里,有航空爱好者可能会问,人类历史上真的出现过蒸汽飞机吗?蒸汽作为一种动力源,今天是否仍在飞机上有用武之地?下面,我们就来聊聊这个话题。

蒸汽动力飞机

众所周知,世界上第一架载人动力飞机是美国莱特兄弟(即威尔伯·莱特和奥维尔·莱特) 于1903 年最早发明的;然而,关于现代飞机是谁发明的问题,史学界一直存在着另外一些截然不同的说法。譬如,在苏联史学家诺索夫主编的《苏联简史》一书中直截了当地写道:“俄国军事工程师亚费·莫扎伊斯基1825~1890) 制造了世界上第一架飞机。”值得一提的是,莫扎伊斯基不仅在年代上远早于莱特兄弟,而且他的飞机是一款以蒸汽作为动力的飞机。
据苏联另一位史学家涅奇金娜主编的《苏联通史》记载,俄国第一架飞机的制造者莫扎伊斯基是一位海军少将。1881 年,他曾设计、制造了一款单翼的蒸汽飞机。这款飞机具有机身、机翼、起落架、动力装置、水平和垂直的操纵系统,即有现代飞机的所有主要部件,还获得过专利特许证。1882 年7 月20 日,在靠近圣彼得堡的红村,莫扎伊斯基举行了世界上第一架飞机的首次试飞。一位目击者写道:“莫扎伊斯基的蒸汽飞机靠轮子在地上滑行,然后像鸟儿那样腾空飞起……”

苏联科学院主编的《世界通史》中这样介绍,莫扎伊斯基在1882~1885 年试制的几款飞机上均使用蒸汽发动机。他的飞机问世之后,人们备受鼓舞,1886~1890 年,法国人阿代尔也先后造了4 架蒸汽动力飞机;1893 年,英国工程师马克西姆造了一架大型蒸汽飞机;1896年,美国人兰利则造了一架以蒸汽机作为发动机的飞机模型……

莫扎伊斯基

事实上,除了莫扎伊斯基、阿代尔、马克西姆和兰利的蒸汽飞机之外,有记载表明,早在莱特兄弟的飞机试飞成功之前的1848 年,英国人威廉·亨森就发明了一款名为Aerial steamcarriage 的蒸汽飞机。该飞机应该是航空史早期里最接近成功的蒸汽飞机尝试了。毕竟,威廉·亨森有一个大比例飞机模型被实际制造了出来,并且成功离地很小很小一点距离。不过,这个设计终究不会成功,因为作为一架重达1.4吨的飞机,它的蒸汽发动机功率只有可怜的37千瓦。要知道,当今世界知名通用飞机公司RV生产的RV7 单人飞机,引擎功率为149 千瓦,但总重量仅有约200 千克。这种情况下,必须要有极其出色的气动设计才能让飞机飞行;而当时的设计水平显然还达不到要求。亨森的飞机翼展46 米,对机翼材料、结构的强度与刚度要求很高,那个时代的材料水平显然是无法实现的。
通过以上分析,人们至少可以确定一点,在莱特兄弟的飞机试飞成功之前,俄、法、英等国的确出现过若干款以蒸汽为动力的飞机。
长期以来,俄国、法国和英国国内一直有一种声音,声称“本国最早制造了飞机,是飞机的发明国”。尽管这些说法并未被世界公认,但事出有因,上面种种说法也并非空穴来风。
和前面提到的蒸汽飞机相比,莱特兄弟的飞机出现得较晚,为什么却得到“世界上第一架飞机”的美誉呢?我们不妨来分析一下莱特兄弟飞机的发动机。

威廉·亨森的蒸汽飞机

据《新编剑桥世界近代史》一书中记载,莱特兄弟在1903 年制造出的飞机是一款以汽油内燃机为动力的飞机,功率为12 匹马力。这种汽油内燃机既轻便又紧凑,可通过链条带动木质螺旋桨产生强大的拉力。尽管如此,1903 年12 月17 日,莱特兄弟俩带着自制的飞机来到北卡罗来纳州基蒂霍克附近的沙丘,一开始两次试飞接连失败,第三次才勉强飞出了“滞空12秒,距离120 英尺,高度3 米”的成绩……在现代人眼里,这个成绩太差强人意了,但在当时史无前例,世界上第一架内燃发动机飞机试飞成功了!
细心的读者可能会注意到,莱特兄弟在1903 年试飞成功的飞机,其动力来自于内燃机,而不是前面谈到的蒸汽机。
关于内燃机在飞机上的应用,最早可追溯到1896 年。当时,一位叫捷尔费尔特的德国设计师首次把使用液体燃料的内燃发动机装在飞艇上,并大获成功。之后,内燃机经过不断改良,为莱特兄弟制造飞机奠定了基础。
和蒸汽机相比,内燃机无论是在效率、爆发力,还是在重量、体积上,都有着绝对的优势,是一种相对先进的动力装置。莱特兄弟制造的飞机装备了一台8.8 千瓦的内燃机,动力如此强劲,才飞出了“滞空12 秒,距离120 英尺,高度3 米”的成绩。
可以想象一下,莫扎伊斯基、阿代尔、马克西姆等人的飞机装着笨重的蒸汽机试飞,会是一种怎样的场景。

复原古希腊蒸汽飞机

2017 年7 月27 日下午,一架2400 年前的古希腊蒸汽飞机复制品在同济大学彰武路校区成功完成了发射试飞。在蒸汽阀门开启瞬间,这架仿古代飞机驶离蒸汽动力端,龙跃而起,直冲向前;在空中优美划过数米弧线后,平稳落地,向人们展示了古希腊文明的神奇魅力。

根据古希腊蒸汽飞机原理进行建模

3D打印的古希腊蒸汽飞机模型

史料记载,公元前400 年左右,享有“世界机械工业之父”美誉的古希腊数学家和哲学家阿契塔斯(公元前400~前350 年) 曾仿照飞鸟设计和制造出了一款以压缩蒸汽为动力的飞行器,能够飞行数百米之遥。
最近,根据蒸汽飞机的原理,笔者的研究团队对阿契塔斯的蒸汽动力飞机进行了复原。

阿契塔斯和他的蒸汽动力飞机

团队首先使用大型CAD 软件对这款古希腊蒸汽飞机进行了三维建模。在该古希腊飞机的CAD模型中,主机翼采用椭圆形状平直翼,选上下对称翼型。机身为流线型,内部中空,尾部设计有尾喷口。水平尾翼为后掠,后掠角为45°。该飞机的蒸汽动力端为一空心球,内部加装自来水,空心球下方有三个外撇的支撑杆。飞机尾喷口通过一蒸汽阀与蒸汽动力空心球衔接,发射姿态角约为45°。
三维CAD 建模工作完成后,团队将其转存为3D 打印机通用的STL 文件格式,以便通过3D打印机对整个古希腊蒸汽飞机系统进行3D 打印。本次古希腊蒸汽飞机的3D 打印模型总高为10 厘米,长12 厘米,宽8 厘米,为一个1:10 的塑料实体模型。打印材料为PLA 聚乳酸塑料。
之后,团队使用前期复原的1900 年莱特兄弟的风洞测试了该款古希腊飞机的气动性能。风洞试验所使用的最大风速约为8 米/秒,数据由高精度风速仪获得;吹风的飞机为1:3 缩比轻木板模型。风洞测试飞机升力、阻力特性。
有了蒸汽飞机的升力、阻力数据,假设出蒸汽动力端的蒸汽初始压强,再结合飞机的重心、重量等数据,便可预测和仿真古希腊飞机的运动特性。
紧接着,研究团队对该飞机的内部结构、蒸汽发射端、外形、飞机与发射端接口等一一进行精心设计,并制作出了一架1:1 的古希腊蒸汽飞机。
复原后的古希腊蒸汽飞机翼展为0.6 米,机体由PE 泡沫板切削胶结制成,总重量1.3 千克,内部设有2.5 升的蒸汽内腔;一对主机翼和一对后掠尾翼为实心泡沫。
该飞机尾部通过一个蒸汽控制阀门与蒸汽动力端相连接。蒸汽动力端由一个直径约为0.4 米的不锈钢蒸汽加热空心球和三个支架组成。空心球体积约为33 升,壁厚1 毫米,底部通过大功率电磁炉进行加热,可产生约2.5 个大气压力提供给蒸汽飞机作为动力。
经过抛投,多轮“失败、改进、再失败、再改进”后,千古希腊蒸汽飞机终于一飞冲天,发射成功。

航母舰载机的蒸汽弹射

因为效率与重量等原因,蒸汽作为飞机动力已无用武之地;但是,作为航母上舰载机的一种重要短距离起飞方式,蒸汽弹射仍是一项重要技术。
蒸汽弹射器是航母舰载飞机的起飞装置,可用于舰载机蒸汽弹射起飞,它使用水平甲板作为飞机跑道。起飞时一般通过核动力装置产生的热能得到蒸汽,之后,蒸汽驱动弹射装置带动飞机在数秒钟内达到起飞速度。蒸汽弹射器是一个极其复杂的系统工程,需要克服诸多重大技术难题,以至于我国的“辽宁”号和已经下水的山东号新航母均未敢贸然使用。
蒸汽弹射有两种弹射方式:一种是前轮弹射,由美国于20 世纪60 年代试验成功,弹射时由滑块直接拉动飞机前轮起飞。这种弹射方式具有弹射时间短、飞机安全性好等优点,美国现役的大多数航母都采用这种方式,现在也只有美国具备生产这种蒸汽弹射器的成熟技术。
另一种是拖索式弹射,顾名思义,就是用钢质拖索牵引飞机加速起飞。这种弹射方式比较老旧,目前只有巴西的“圣保罗”号航空母舰还在使用。
目前,我国山东号航母延续了此前“辽宁”舰的滑跃起飞加拦阻着舰方式。这意味着,我国航母加装蒸汽弹射器的时机尚不成熟。

美国垄断着航母蒸汽弹射技术

诚然,蒸汽弹射器的原理很简单,构造上也并不复杂;但在平淡无奇的背后,设计上是高难度和高度保密的,特别在制造上对冶金、加工和装配等工业系统的整体水平要求极为严苛。譬如说,蒸汽弹射器的核心——两条平行排列的开缝汽缸,在承受将舰载机弹射出去的巨大蒸汽压力的同时,还要在气缸上有狭长的
开缝。那么,开缝密封条的密封性就是一个技术难题。
另外,由于蒸汽弹射器的部件与其他产品的通用性不高,乃至汽缸、活塞、蓄压罐,密封条、种类繁多的阀门等的制造材料都或多或少需要专门研制;加之目前除美国外,其他国家都没有批量生产蒸汽弹射器的需求;在这些因素的影响下,随之而来的问题就是弹射器的生产成本居高不下。
当前,我国的工业化水平不断提升,在高强度材料、高精度加工领域不断突破,蒸汽弹射器对于我国而言已不再是不可逾越的技术难题。应该说,国产蒸汽弹射器早已获得技术突破,并已趋于成熟。正在建造中的国产新航母之所以未能配备蒸汽弹射器,其实不在于技术,而是基于航母这一庞大的水面舰艇系统的技术成熟度和建造成本等方面的因素。
不过,令人欣慰的是,种种迹象表明,舰载机的蒸汽弹射器将在我国第三艘国产航母上列装。此消息是否属实,让我们拭目以待。

注:本文为《百科知识》约稿



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