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1.7 功重比的意义,飞艇操控难题的出路在哪里?

“法国号”飞艇的最后两次飞行都是在巴黎城区上空进行的,在无数市民的注视下它优雅地完成了转弯、掉头等一系列动作,并顺利实现了返航。雷纳德和克雷布斯用实际行动击碎了飞艇无法实现可操控性的预言。不过,当他们着手准备建造一艘更大更快的飞艇时,他们却发现无论如何努力也无法再向前迈出一步。

两人万万没有想到,绊住前进脚步的竟然就是助力他们成功的最大功臣——电力。

不得不说,作为发动机来说,直流电动机拥有非常优良的特性。它启停迅速,低速扭矩大,加速快,输出功率容易做大,而且调速也很容易实现,通过调节电流大小即可,不需要借助笨重昂贵的齿轮组。这些都是有利于实现可操控性的特性,也是雷纳德和克雷布斯成功的关键。然而,电力却有一处非常短的短板,那就是储能。

其实这个隐患在蒂桑迪耶兄弟的飞艇上就已经初现端倪。尽管蒂桑迪耶飞艇的直流电动机只有54千克,相较于蒸汽机和内燃机来说可谓既紧凑又小巧,但为其供电的电池太重。这导致电机(含螺旋桨)加上电池的重量达到了280千克,以至于功重比骤降到了4瓦/千克,几乎与人力相当。不仅如此,电池的续航时间也较短,相当于3个成人体重的电池组仅能维持供电两个半小时。

表面上看,“法国号”飞艇在动力方面进步很大。它使用了8.5马力的电动机,电动机和电池组自重为435千克,算出功重比是14瓦/千克,是蒂桑迪耶飞艇的3倍多。但要注意这个数字的获得是以续航为代价的。“法国号”的最大航程只有约12千米,即全速运行的状态下电池仅能坚持30多分钟(见图1-29和图1-30)。

要想提高续航能力就必须增加电池数量。但由于化学电池的能量密度太低,电池数量的增加压缩了宝贵的可用载荷,进一步降低了飞艇的实用性。下面这个数据可以说明一些问题:“法国号”飞艇的电动力部分自重为435千克,这几乎与整个吊舱结构的重量相当。

电池给电力飞艇设下了一个低矮的天花板,而受限于当时的技术水平,这个天花板是雷纳德和克雷布斯无法突破的。最终,失去资助的两人只能望天兴叹。可谓“成也电力,败也电力”。

前面写到的进入19世纪之后的几位飞艇发明家,比如吉法德、亨莱因、杜普伊·德·洛梅、雷纳德和克雷布斯,都是工程师出身,唯一例外的蒂桑迪耶兄弟是建筑师和化学家的配置,也算有很强的技术背景。不过值得注意的是,在航空技术的早期发展中一直不缺“外行人”的身影。

图1-29 “法国号”飞艇所用的电动机

图1-30 “法国号”飞艇所用的电池

1879年,怀揣飞行之梦的德国守林人恩斯特·乔治·鲍姆加藤(Ernst Georg Baumgarten,1837—1884)为自己找到了一位知音——出版商弗里德里希·赫尔曼·沃尔弗特(Friedrich Hermann Wölfert,1850—1897)。

在两人相识之前,鲍姆加藤手中就握有一份关于飞艇的专利。他的创新想法在于,之前的飞艇都是通过改变浮力来进行高度调节而使用螺旋桨进行水平推进的,因此螺旋桨的桨面是朝水平方向的。但鲍姆加藤却给飞艇增加了面朝下的螺旋桨,这样就能通过螺旋桨产生的升力调节高度,不仅节约了氢气,并且高度的调节能更快更灵活(见图1-31)。

图1-31 鲍姆加藤的飞艇专利,可以看到他在吊舱水平和竖直方向上都设置了螺旋桨

鲍姆加藤并非纸上谈兵。他制造了几个飞艇模型,其中一个模型使用机械弹簧驱动。在公开展示中,这个模型展示出了上升、下降、前进和转弯的能力。这个模型的成功让他对自己的飞艇充满信心。现在有了富有的出版商沃尔弗特的支持,他就能制造一个实际大小的飞艇来验证自己的想法。

很快,在1880年,两人就联手制造出了一艘飞艇。这艘飞艇很有特点,它拥有3个吊舱,每一个吊舱都设有水平和垂直方向的螺旋桨(见图1-32)。不过由于缺乏经验,两人在首次试航中没有做好配重,飞艇升空后发生了倾斜并坠向地面。所幸没有人员伤亡。

图1-32 鲍姆加藤和沃尔弗特的三吊舱飞艇(1880年)

这次出师不利并未浇灭两人的热情。1881年,沃尔弗特卖掉了自己的出版公司,全身心地投入到新飞艇的研发中。也是在他的努力下,这一年德国第一家航空协会创办了起来。

而鲍姆加藤这边的境遇要悲惨得多。对很多人来说,让人类自由飞行的想法与疯话无异。鲍姆加藤耗尽家财“痴人逐梦”的做法并不被单位领导以及家人理解,再加上他的个性也不讨人喜欢,冲动易怒。1882年他被诊断为“疯狂”并被送进了疯人院,两年后因肺结核不幸病逝。

合伙人去世后,沃尔弗特只身上路,这一次他的步伐缓慢了许多,直到1887年他依然没有值得一提的建树。尽管有个人技术能力欠缺的原因,但更重要的原因是缺乏合适的发动机。鲍姆加藤的机械发条装置只适用于模型,对于实际尺寸的飞艇来说,蒸汽机过于笨重,电力的续航很成问题,而新兴的内燃机在奥托的带领下走上了大型化道路,这使得它的功重比相较亨莱因时代并没有什么进步。难为无米之炊的沃尔弗特甚至在其1887年制造的飞艇上回归了人力驱动。

然而转机意外地出现了。

1882年,道依茨发动机公司的骨干戈特利布·戴姆勒(Gottlieb Daimler,1834—1900)和威廉·迈巴赫(Wilhelm Maybach,1846—1929),与老板尼古拉斯·奥古斯特·奥托(Nikolaus August Otto,1832—1891)在内燃机的发展方向问题上产生了分歧,于是分道扬镳成立了自己的发动机公司。两人笃定交通才是内燃机的未来,便义无反顾地走上了紧凑高速的小型化道路。1885年,两人的高速内燃机研发成功。他们将其装到了一辆特制的自行车车架上,就这样世界上第一辆摩托车诞生了。1886年,他们又将新发动机安到了一艘小船的船尾,于是造出了世界上第一艘摩托艇。也是在这一年,他们成功地用新发动机驱动了一辆四轮马车,这使得他俩与本茨同时登入了汽车发明的名人堂。

1887年,戴姆勒从当地报纸上得知了沃尔弗特的工作,于是主动联系后者并推介了自己的发动机。

这是一次堪称双赢的合作。一旦沃尔弗特成功,戴姆勒将补齐自己交通动力帝国的最后一块版图——天空,成为横跨水陆空三栖的交通工具制造商。而沃尔弗特则为自己的飞艇找到了合适的心脏,将实现自己的自由飞行之梦。

戴姆勒提供的这台基于奥托四冲程循环的高速内燃机是他和迈巴赫的得意之作。发动机只有一个竖直放置的汽缸,转速为每分钟720转,输出功率为2马力,自重为84千克,功重比达到了17.5瓦/千克。尽管这个2马力的动力低了一些,但其排量仅为0.6升,这使得它的续航不成问题,尤其适合进行小型飞艇的试飞。

沃尔弗特沿用了鲍姆加藤的设计,为新飞艇配置了水平和垂直两个螺旋桨,驾驶员可借助一个操纵杆让发动机的动力连接到任意一个螺旋桨上(见图1-33和图1-34)。1888年,沃尔弗特驾驶着新飞艇进行了几次成功的实验。不过他对于戴姆勒发动机的动力性能并不满意,于是开始自己动手改进化油器的设计。

图1-33 沃尔弗特站在飞艇的吊舱中(1888年)

图1-34 沃尔弗特飞艇的复制品(现藏于戴姆勒奔驰博物馆),注意吊舱下方垂直方向的螺旋桨

很可能是在等待内燃机技术的发展,8年后的1896年,沃尔弗特才又制造出了一艘新的飞艇,起名“德国号”。这艘飞艇配置了一台8马力的戴姆勒发动机,螺旋桨是铝制的,兼顾了重量和强度。这艘提升动力后的飞艇展现出了一定的实用性。据称沃尔弗特还使用这艘飞艇运送了几包邮件。不过也有人说这艘飞艇的性能不足,可操控性并不高。

可惜的是1897年6月12日不幸降临了。沃尔弗特的飞艇在升到空中200米左右的高度时起火坠毁,他与另一名驾驶员不幸遇难。

尽管鲍姆加藤和沃尔弗特的经历似乎印证了人类早期航空事业的悲剧,但事实是,在无数“疯子”和“狂人”的努力下,在无数“智者”的怀疑与讥笑中,人类的自由飞行之梦正在走上正轨。这个过程步履维艰、曲折反复,但进步同样是可见的、坚实的。到了19世纪末,世人对于飞行的态度已在悄然转变。

不过此时依然没人能够想到,一个从遥远南美洲大陆来的小伙子会谱写一段传奇,而他将彻底把飞行家的形象从“疯子”转变为“英雄”。 7jfO3YlYjC1DmznES03UMuuSaNjoHxXfzVBbK4fIJ2sZnLJ/DLQ2z5ut3jbU8rx3

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