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1.4 可操控性的尝试,如何驾驶气球飞行?

在人类改造世界与理解世界之间存在很多有趣的不对称。一些事情不难办到,比如扔出一架纸飞机或踢出一脚弧线球,但要正确解释它们的飞行原理却并非易事。另外一些事物则不难理解,比如气球升空,但当真正动手去制造一个载人气球时,事情马上就变得复杂起来,尤其是当你需要考虑从起飞到降落的全部过程细节时。

罗齐尔的空难在以悲剧的方式向世人展示氢气球危险性的同时,也暴露出气球载人飞行的另外一个问题——缺乏有效的操控手段。即使他的气球没有爆炸,但只要天公不作美不给出合适的风向,罗齐尔依然无法实现飞越英吉利海峡的壮举。因此从气球诞生之初,人们就已经开始试图改变它随风飘流的命运。

首先就是高度控制。

前面我们已经分析过,相比热气球,氢气球在高度控制方面有一个棘手的问题。热气球的气囊是与大气相通的,而氢气球的气囊是封闭的,后者在上升过程中或者吸收阳光辐射后都会发生膨胀,必须能及时地给气囊放气。但这样做有两个缺点:

第一

用金属和酸反应制造出的氢气很贵,白白放掉很可惜;

第二

当时还没有压缩气瓶,空中是无法给气囊补气的,因此放掉气的气球只能通过抛掉压舱物来重新升高,而压舱物则占用着气球宝贵的有效载荷。

有什么办法能解决上述矛盾吗?

法国人缪尼埃(Jean Baptiste Meusnier,1754—1793)给出了一个巧妙的设计。这位曾与拉瓦锡一起研究分解水来生产氢气的法国科学院院士发明了内置气囊(Ballonnet)。内置气囊就是一个独立的小气球,它设置在主氢气气囊的内部,拥有自己的放气阀,不过里面充的是普通空气。这个内置气囊的使用过程如下:升空之前将内置气囊部分充气,然后将主氢气气囊充满。升空后,氢气膨胀向外撑主气囊的同时向内压缩内置气囊,此时只需打开阀门放掉内置气囊中的空气就能释放主气囊内的压力。而当氢气收缩时,可以通过鼓风机向空气气囊鼓风,从而维持主气囊的外部形状不变(见图1-10)。

图1-10 氢气球内置气囊的工作原理

缪尼埃甚至还给出了内置气囊的第二个妙用。如果内置气囊可以承受一定的压力,那么使用鼓风机就能向气囊内充入压缩空气。由于压缩空气的密度高于周围的空气,这就相当于拿空气做了压舱物。这是一个很大的优势,空气是随手可取的,而扔出去的沙袋是捡不回来的。

1784年,罗伯特兄弟将缪尼埃的想法付诸了实践。可惜的是,虽然内置空气囊的设计很好,但这次实验却出了问题。在升空过程中,一阵气流引起了气球的剧烈颠簸,空气囊与主氢气囊之间的固定绳被挣断。到处乱滚的空气囊不仅无法放气,还将主氢气囊的排气阀堵住了。之后气球快速上升到了4800米的高空,此时主氢气囊膨胀过大已经超过了材料的极限,幸亏乘客手疾眼快用佩刀割出了一条3米长的口子放气才避免了气囊被撑破的风险。不过这个临时的放气口明显大了很多,之后气球下降的速度过快,他们又不得不扔掉大量的压舱物才把速度稳下来,好在最终是有惊无险。

与高度控制相比,使气球沿着给定的方向行进这件事更具挑战性。

一个很自然的想法是将在空中飘流的气球与船舶进行类比,从而得出可以借用船桨来进行气球推进以及进行方向控制的结论。之前提过的第一个在英国乘坐气球成功升空的卢纳尔迪就是这个想法的实践者。他设计了一个单向过风的百叶窗式桨板,这些“窗叶”在划桨时关闭,而在收桨时因气流的作用自动打开以减小阻力(见图1-11和图1-12)。

图1-11 卢纳尔迪的氢气球

图1-12 卢纳尔迪设计的单向过风的桨板(1784年)

成功飞越英吉利海峡的布朗夏尔也试图使用桨板推进气球,他的桨板是伞形的(见图1-13),这样就实现了向前与向后两个方向的空气阻力不同。

图1-13 布朗夏尔的伞形桨板设计(1784年)

类比的确可以带来解决问题的思路,人类经常从大自然中借鉴好的设计。如果只是单纯地模仿而不去探究背后的原理,就免不了会掉入陷阱。

在空中飘着的气球与在水面浮着的船舶有一个很大的不同,那就是气球处在大气这单一流体中,而船舶处于水与空气两种流体的界面上。划船桨的有效性在于划桨时桨板没入水中进行推进,而收桨时桨板是从空气中返回的。水的密度比空气高了3个数量级,因此水对桨板的作用力也大得多,这使我们可以用一支面积很小的桨得到相当不错的推力。

理论上,划动空气也能产生足够的推力,但前提是必须使用桨面很大的桨,考虑到当时的结构材料主要是木头,这种桨的自重必然不轻。即使可以划动这样一支笨重的木桨,其大部分能量也都浪费在克服自重上了。而卢纳尔迪和布朗夏尔的实践也证明了人力划桨在气球控制上毫无作用。

孟格菲兄弟对此倒是有着明智的认识,他们认为即使用上多名划桨手也只能让气球的前进速度最高达到每小时8千米,而这个速度不过是今天2级风速的标准(6~11千米/时)。

在这个问题上,发明内置气囊的缪尼埃再次显示出了惊人的预见性。早在1784年呈交给法国科学院的报告中,他就给出了用螺旋桨进行气球推进的方案。不仅如此,他还意识到了气球形状对于减小空气阻力的重要作用,因此将球形气囊变成了椭球形。今天我们把这样的气球称为飞艇。

缪尼埃设计的飞艇尺寸巨大,它的气囊长轴为79.2米,短轴是长轴的一半,总容积达到了惊人的65000立方米!作为对比,第一次载人升空的查尔斯氢气球直径为9米,总容积只有约400立方米。为了推动这艘飞艇,缪尼埃为其配置了3个巨大的螺旋桨。这三个螺旋桨相互独立,一字排布在吊舱与气囊之间。同时他还在吊舱后面配备了一个艉舵用来控制方向(见图1-14、图1-15和图1-16)。

图1-14 缪尼埃的飞艇设计(1784年)

图1-15 缪尼埃飞艇的螺旋桨主轴和链条传动机构

图1-16 缪尼埃飞艇的内置气囊结构

显然,巴黎科学院被缪尼埃飞艇的规模惊到了。在这个瓦特蒸汽机尚属新鲜事物的年代,没有人试图去建造这样一艘能在空中飞行的庞然大物。

公平地说,缪尼埃并非一味求大夺人眼球,之所以设计成这样,是因为在驱动螺旋桨的动力方面他没什么选择。在缪尼埃的飞艇设计中,转动螺旋桨需要使用80个人力。为了将这80个人送上天空,飞艇必须提供相应的浮力。理论上缪尼埃的飞艇气囊可产生约666400牛顿的浮力(1000米高度处),但根据缪尼埃的设计,其气囊和吊舱自重有61吨,有效载荷剩下7吨,承载80个人虽说够用,但也不算特别富裕了。

更可怜的是,80个人看起来很多,但他们的做功能力其实非常有限。今天我们已经清楚地知道人类输出功的能力很弱,专业自行车运动员的输出能力大约在400瓦,而普通人的持续做功能力很少能超过300瓦。如果按照后面这个数字计算,那么80个人力即使一点损失没有,最大的输出功率不过24千瓦(约32.75马力),而一台家用小轿车发动机的输出功率可以轻松达到这个数字的3~4倍。

那么进一步增加人手呢?答案是很不划算。

人力作为发动机除了动力很弱,还有一个更大的缺点就是功重比低。所谓功重比就是发动机输出功率与自身质量的比值。假设一个人体重为70千克,做功能力为300瓦,那么他的功重比为4.3瓦/千克。而现在典型的小轿车的发动机自重为100千克,输出功率为90千瓦,功重比为900瓦/千克。两者的差距是两个数量级。

功重比低下的一个严重问题是,为增加功率而增加的自重需要更大的气囊容积来平衡,这就造成了飞艇尺寸的进一步增大。因此要想控制飞艇的尺寸并有效地驱动,必须有功重比较高的发动机。可惜的是,当时的瓦特蒸汽机并不能达到这个要求,它的功重比甚至比人类的还要低。

所以不难理解,在孟格菲兄弟和查尔斯等人引发的短暂气球热过后,载人气球的发展停滞了。气球的应用转向了表演,它成为乡间的一种娱乐形式,或者为节日和典礼装点门面。 MuyE6i4JBcca51OhFxmb0Kcjjjz0hyA+cPurXZwa1DwviYsApkLn+pGRJx8Sfdfs

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