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1.9 天命之年的创业,齐柏林的“空中火车”是如何起飞的?

1890年,由于政治上的错判,一位德国中年军官被调离了前线指挥岗位,被迫开始了自己的退休生涯。这位失意的德国军官是一位出生在巴登-符腾堡的贵族,普法战争中的明星,他叫作斐迪南·冯·齐柏林(Ferdinand von Zeppelin,1838—1917)。此时的齐柏林如果就此消沉安度晚年,也许并不会让人感到意外,不过他却做了一件令人意外的事情,他选择在52岁的年纪开始人生中的第一次创业。

齐柏林的创业领域是航空,而这个想法的来源与他年轻时的一段经历有关。1863年,年仅25岁的齐柏林以随军观察员的身份来到美国,此时这个新生不足百年的大国正爆发着一场惨烈的内战。由于手握林肯亲笔介绍信,齐柏林在北军的控制地区来去自由。8月17日,他来到明尼苏达州的圣保罗,在这里他见到了改变自己后半生之人——德裔气球飞行员约翰·H.施泰纳(John H.Steiner)。

施泰纳所属部队的职责是使用系留气球进行军事侦察。就在到来的第二天,齐柏林就随施泰纳坐着氢气球升上了高空。对于这次难忘的经历,他在后来写给父亲的信中称:“当我悬浮在圣保罗的上空时,航空这个想法一下子就击中了我的心。”这是一个年轻人初见新事物后常有的激情,而当施泰纳向他详细解释为何使用气球航空的想法并不实际后,激情也就被理性所抚平。

不过施泰纳绝不会猜到,整整27年后的一个失意之秋,中年齐柏林竟然重新找回了逝去已久的激情,他不仅造出了“可操控的气球”,还带来了浮空器中的一个新物种——硬式飞艇。人类航空史上的一段绚烂而悲壮的篇章就此开启。

在这27年中,齐柏林倒也没有完全忘记自己的航空梦。1874年,受到邮政大臣一篇关于航空与全球邮政系统演讲的启发,他在日记中写下了自己关于飞艇的设想。

齐柏林关于飞艇的核心思想就是“大”,具体地说容积要达到20000立方米,而当时已经造出的飞艇容积没有超过4000立方米的(吉法德飞艇的容积为3200立方米,而亨莱因的只有2400立方米)。这并非齐柏林个性好大喜功,而是顺着与船舶类比的思路走下去,飞艇想要实用,大型化是一个很自然的思路。

我们来简单解释一下。因为飞艇的浮力与气囊容积(特征长度的三次方)成正比,但是气囊的自重与表面积(特征长度的二次方)成正比,即随着飞艇的大型化,浮力的增长要快于自重,因此有效载荷的占比是逐渐提高的,实用性也相应提高,这就是“大”带来的优势,其与轮船的大型化有异曲同工之处。

但是大也有大的难处。

我们之前介绍的所有飞艇都是软式飞艇,即气囊通过浮力气体产生的正压力维持外形。这种方式在低速条件下问题不大,但当飞艇高速飞行或者顶风飞行时,气囊的外形就很难维持住。这里的原因是动压。由于气流撞到飞艇头部被减速,根据伯努利原理,此时气流的静压力升高。容易理解,此时如果气囊内部压力不足,飞艇的头部就会被风压扁。

气囊形状畸变会造成一个严重的问题——空气阻力系数的大幅增加。例如,对于一个球体来说,它的空气阻力系数是0.47,而对于一个半球来说(平面朝前),其空气阻力系数为1.17,约是前者的2.5倍。这意味着在其他条件不变的情况下,后者的发动机功率要增加到前者的2.5倍!

而受限于当时材料的强度(主要是丝绸或者帆布等纺织品),在合理的囊皮厚度下,气囊内部无法维持足够的正压力,这就使得软式飞艇不可能被进一步做大。

为化解上述困难,齐柏林给出了硬式飞艇概念。即首先为飞艇制造一个硬质的外部骨架,然后将浮力气体充入多个小气囊,再将这些小气囊固定在硬质骨架内部,最后骨架的外层使用蒙皮覆盖以减小风阻。这样一来,外部风压都由骨架结构承担,气囊无须承担额外的内部压力,因此囊皮可以做得较为轻薄。这样,通过镂空的支架结构以及气囊数量上的叠加就能造出巨大的飞艇。

这的确是一个绝妙的想法,但它也有一处关键,那就是制造骨架的材料,它必须有优秀的强度而且要足够轻。幸运的是,这样的材料及时出现了,它就是铝。铝的强度大大超过木材,与普通钢的差距并不大,但其密度只有钢的三分之一多一点。更好的一点是,铝既不会受潮也不会生锈。不夸张地说,铝简直是一种为航空而生的材料。有意思的是,尽管铝是地壳中蕴藏最丰富的金属元素(铝在地壳中的含量是8.23%,而铁是5.63%),但直到1886年,人们才找到大规模提炼铝的方法。齐柏林飞艇真是生而逢时。

不过齐柏林并没有工程知识和技能的储备,要想将自己的想法实现,他还需要专业人士的帮助。在友人的介绍下,他找到了26岁的年轻工程师西奥多·科伯(Theodor Kober,1865—1930)。此时科伯已经在奥格斯堡的一家气球公司供职了两年。

在科伯的帮助下,1893年,齐柏林终于完成了自己的硬式飞艇设计。它的外形像一支蜡笔,艇头为锥形,艇身是一个近似的圆柱体,直径为11米,长为112米,分成14节,每节内部装有一个气囊,气囊是用丝绸涂上橡胶层制作的。艇身最外层用帆布蒙皮。艇身两侧各有两个螺旋桨,由两台11马力的戴姆勒发动机驱动。齐柏林估计他的飞艇速度最大可达9米/秒,即时速32.4千米。

有趣的是,在飞艇的运行方式上,齐柏林给出的方案有着明显铁路机车的影子。上述蜡笔形的飞艇是作为“车头”使用的,它的后面牵拉着一系列相同直径的圆柱形“车厢”(见图1-50)。“车厢”每节可以浮起500千克重的货物或人员,但其本身并没有动力。尽管500千克的载重量看上去十分有限,但是齐柏林认为可以通过增加车节数量而增加“空中火车”的负载能力,因为虽然车厢长度增加显著,但整列飞艇的阻力却增加得很少。齐柏林预言这种“空中火车”能在交通运输上发挥重要作用,尤其可以跨越山区、沼泽等直抵目的地,而这些地形都是陆上交通工具很难通过的地方。

图1-50 齐柏林的“空中火车”模型(此设计于1895年获得专利)

1894年,当齐柏林将飞艇方案报送给军方高层后,一个评审委员会立即组织起来对他的方案进行了评估。这个评审委员会的主席是能量守恒定律的发现者之一、鼎鼎大名的德国科学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz,1821—1894)。可惜由于项目本身的创新性,在几个关键问题上齐柏林和科伯拿不出圆满的解答,比如飞艇结构的稳定性、飞艇的速度如何提高等。评审委员会最终的结论是令人失望的,尽管亥姆霍兹没有否认齐柏林飞艇方案的可行性,但也没有建议军方对此投资。

但齐柏林并没有灰心,他一方面对方案进行修改,一方面积极争取德国最专业的技术组织——德国工程师协会的认可。在两年的时间中,为提高速度,齐柏林抛弃了“空中火车”方案,而采用了通常的一体化设计,同时他还详细设计了飞艇的控制舵和配重系统。终于在1896年底,德国工程师协会对齐柏林的飞艇方案给予了一致认可。

不过齐柏林心里清楚,对于他脑中的新事物而言,再多专家的认可也无法消除怀疑与批评,最有力的证据不是无懈可击的方案,而是一艘飞在天上的飞艇。但要把飞艇造出来,需要大量的资金。齐柏林估算第一艘飞艇项目的资金需求是800000万马克,作为参考,设计师科伯的年薪是5000马克。

这笔资金花了两年时间才筹措完毕,其中约一半是齐柏林的自有资金,剩下的一小半资金是由德国工程师协会这个圈子中的人投的。值得一提的是一位来自工业界的企业家卡尔·伯格(Carl Berg,1851—1906),他旗下的炼铝厂提供了价值6万马克的用于制造飞艇结构的铝材。

1898年7月,第一艘飞艇(编号LZ1)正式进入建设阶段,此时距离齐柏林开始创业已经过去了8年。

齐柏林飞艇难产的一个原因是它的创新性,还有一个原因是它的规模。作为一个即将诞生的新生儿,LZ1飞艇可谓一个巨婴。它全长为128米,是雷纳德“法国号”飞艇的2倍多,而11300立方米的容积,更达到了“法国号”的6倍。

为组装LZ1飞艇,齐柏林首先在博登湖(Lake Bodensee,又称康斯坦茨湖Lake Constance)上建设了一个巨大的浮动机库(见图1-51)。这个机库是全木制的,尺寸达到了142米长、23米宽、23米高,是当时最大的浮动木结构建筑。机库门是两张巨大的幕布。

图1-51 漂浮在博登湖上的齐柏林LZ1飞艇机库

LZ1飞艇的主体结构仿佛一个拉长的鸟笼。它的横截面采用了正24边形用来逼近圆形,除去两头的抛物面,艇身部分分成13节,由横向14个环形结构和纵向24根梁铆接而成,每节宽度为8米,而吊舱连接处的那一节加密到4米(见图1-52)。整个铝制骨架结构总重为4.5吨。

图1-52 齐柏林LZ1飞艇的设计图

LZ1飞艇骨架使用外层帆布和内层丝绸的复合织物覆盖,并做防水处理,覆盖物重量接近2吨。细节之处是外层覆盖物与气囊不直接接触,而是留有约十几厘米的缝隙,这样做的目的是用导热性很差的空气来进行隔热。

LZ1飞艇的吊舱位于艇身正下方约3米处,两者采用了刚性连接,而不像之前飞艇所采用的绳索柔性连接(见图1-53)。

图1-53 齐柏林飞艇吊舱与艇身的连接

为了驱动这个庞然大物。齐柏林使用了两台戴姆勒15马力的四缸水冷发动机,转速为每分钟700转,发动机自重为385千克,功重比达到了30瓦/千克。发动机是在迈巴赫的指导下安装完成的。为了验证其动力系统,齐柏林还将发动机和螺旋桨装到一艘小船上进行了实验(见图1-54)。

图1-54 齐柏林用小船做发动机推力实验(1899年)

飞艇的方向舵有两组,艇艏与艇艉各两个。压舱物使用了水袋和沙袋两种,前者重200千克,后者重400千克。另外还有一个悬挂配重系统用来控制艇身的俯仰,从而让飞艇爬升或者俯冲。

1899年10月,飞艇总装完毕。对于这样规模的创新工程来说,这是一个令人称赞的速度,尤其是当我们看到齐柏林飞艇项目的团队成员时。当时,它的项目经理雨果·库布勒(Hugo Kübler)年仅26岁,总装工程师路德维希·杜尔(Ludwig Dürr,1878—1956)甚至只有21岁。

由于德国冬天的天气不好,LZ1飞艇的试飞暂定在第二年(1900年)的春天,而它的试飞员由63岁的齐柏林伯爵本人担任! b0gl6Ui+cwW1m+v5LIjMh2rV5lrSq4koSjSPxjPKSG2FCmamTrVWIRfGg+70PPtX

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