尽管高功重比发动机的缺乏是浮空器发展停滞的最主要原因,但在得出这个结论之前,还有一个更基本的问题需要回答,那就是为什么可操控浮空器必须使用发动机驱动?
的确,同样是风力驱动的帆船已经在人类交通史上存在了至少六千年之久。而且帆船有着一项重要的能力,那就是除了能在很大的角度进行方向调整,在纵帆的帮助下它甚至还可以进行逆风航行。因此很自然地,在同帆船进行类比之后,很多发明家设想用帆来进行气球操控(见图1-17)。
图1-17 借助风帆进行气球操控,气球下方拖曳的绳子是用来控制气球高度的稳绳
法国气球家欧内斯特·佩坦(Ernest Petin,1812—1878)将用帆操控气球的想法发展到了同缪尼埃一样令人吃惊的地步。他设计了一艘巨大的飞艇,号称可以乘坐3000人。这艘飞艇由4个巨大的球形气囊提供浮力。气囊一字排开,下方悬挂着一个同样巨大的平台。平台两端设置两面三角帆进行方向控制(见图1-18)。
一个值得注意的地方是佩坦对于飞艇可操控性的设计不仅体现在水平方向上,也体现在垂直方向上。他希望利用气动力来控制飞艇的升降,而不是之前采用的扔下压舱物和放气的方式。为此,他将平台中间镂空,并设置了数个平行的斜面,组成了一个类似百叶窗的结构。斜面的作用类似机翼,在迎风角度为正时它们能够提供升力,从而使得飞艇爬升。当迎风角度为负时,它们则会使飞艇下降。
图1-18 佩坦的巨型飞艇(想象图)
利用风帆进行飞艇操控非常符合直觉,不过可惜的是这又是简单类比带来的一个陷阱,举一个极限情况的例子就不难理解这一点。假设气球在均匀的风中达到了匀速飞行,它的飞行方向与风速一致,而速度也与风速相同。此时站在气球上的人感觉不到有风,而对于地面上的观察者来说,风与帆一起运动,两者相对静止。所以无论在气球上设置何种帆,帆面都是瘪的,帆起不到任何作用。(实际上,由于受到空气阻力的影响,气球飘流的速度要比风速低一点,但两者的方向相同。)
那么帆船又是如何做到偏离风向甚至逆风行驶的呢?我们不在这里展开详细分析,只提一点,其关键在于帆船处于两种流体的界面上这一事实。帆船之所以可以偏离风向一个角度,是因为下方的水与风的流速不同,而水中的船舵则提供了一个足以平衡帆上风力的侧向力。由于水的密度比空气高了3个数量级,因此用较小的舵面就能实现有效的方向控制。而在悬空的气球上,无法找到这样一个“额外的”侧向力,因此就需要有一台发动机驱动螺旋桨去“造出”这个力。
可能是察觉到仅依靠风力并不能满足飞艇的动力需求,佩坦为自己的飞艇增加了螺旋桨驱动装置,不过对于用什么转动螺旋桨,他只是含糊其词地说“人力或者其他机械方式”。难怪他的设想无人资助。佩坦的窘境正是自孟格菲兄弟和查尔斯以来所有浮空器发明家的缩影。
在等待了漫长的半个多世纪后,随着发动机技术的发展,浮空器才终于迎来了曙光。
1851年,法国铁路工程师亨利·吉法德(Henri Giffard,1825—1882)造出了一台小巧的蒸汽机,尽管它的输出功率只有3马力(约2205瓦),但其自重很轻,不过100磅(约45千克),算上配套的立式锅炉一共也只有350磅(约160千克)。其功重比约为11瓦/千克,是人力的2倍多。
一年后,吉法德将蒸汽机装到了一艘飞艇上(见图1-19)。这艘飞艇的气囊为纺锤形,长为44米,中部直径为12米,容积为2500立方米。气囊下方悬挂有一根非常结实的水平长杆,杆长20米,吉法德借用船舶术语称其为“龙骨”。龙骨的作用是“承上启下”,它上系气囊,下挂吊舱,并且它的一头还有一个三角形的垂直尾舵用来控制方向。蒸汽机放置在吊舱中,而螺旋桨则探出在外。这支螺旋桨有三片桨叶,直径为3.4米,转速是每分钟110转。
图1-19 吉法德的蒸汽动力飞艇(1852年)
值得一提的是,吉法德注意到了氢气的安全问题。在易燃易爆的氢气球下方使用烧煤的锅炉是一项危险之举,于是他用金属丝网将炉膛的进口罩住,就像安全矿灯上的做法一样。同时他还将蒸汽机锅炉的排烟口设置为向下排烟,避免烟气中的火星引燃上方气囊可能泄漏出来的氢气(见图1-20)。
图1-20 吉法德飞艇的蒸汽机,注意其倒置的排烟管
1852年9月24日,吉法德独自驾驶着自己的飞艇从巴黎起飞,并在28千米外安全降落,平均时速8千米。尽管这个速度毫不起眼,但它却是第一个可操控的动力飞行器创造的速度纪录。在空中,吉法德用这艘飞艇轻松完成了转弯动作,但是没能实现顶风飞行,因为蒸汽机的动力不足,要不然他应该能驾驶着飞艇返航。
三年后的1855年,吉法德制造了第二艘飞艇(见图1-21)。这艘飞艇的气囊容积增大到了3200立方米,不过它使用的还是第一艘飞艇的发动机。鉴于之前实验感觉动力不足,吉法德这次采取的办法是减小飞艇阻力,因此他把飞艇的气囊做得更加细长,中部直径略微缩小到10米,而长度则增大到70米。
图1-21 吉法德的第二艘飞艇(1855年)
由于气囊容积增大,第二艘飞艇可以乘坐2人。吉法德跟一名制造商一起进行了一次试飞。试飞开始时很顺利,飞艇不仅可以转弯,甚至可以顶风缓慢前进。不过在降落时出了事故,飞艇突然失去平衡立了起来,随即吊舱将气囊上的网绳拉断,整个气囊被毁,所幸两人只是受了点轻伤。
事故的原因在于气囊在降落时产生了变形,导致吊舱悬索的受力不均。因为在下降时要给气囊放气,而泄了气的气囊变软,刚性不足,很容易产生变形。此时如果有内置气囊的话,用鼓风机向其充入空气就能保持主气囊的形状,而吉法德并没有给自己的飞艇设计内置气囊。这次事故让人们认识到缪尼埃内置气囊的重要作用。
有了前两次的经验和教训,对于第三艘飞艇,吉法德准备来一次飞跃——飞艇的设计时速定在了72千米,比之前几乎提高了一个数量级。为了达到这个速度,吉法德不得不把一个大得多的蒸汽机搬上飞艇,这台蒸汽机重达30吨。而为了承载这么重的发动机,飞艇的体积一下子膨胀到了22万立方米,气囊中部直径为30米,长度达到了600米!如此规模的飞艇项目风险太大,没有人愿意为他投资。于是当这个宏伟的计划长久无人问津后,吉法德回到了自己熟悉的蒸汽机制造领域。
不过吉法德的飞行之梦并未终结,在他的心中还有一个梦想,那就是希望每一个普通人都能体会到飞行的乐趣。20多年后的1878年,吉法德制造了一只很大的氢气球,气球直径为36米,高为55米,容积达到了2.5万立方米。充满气后,这只气球可一次将50名乘客送到600米的高度。为了防止风将气球吹跑,他用缆绳系住气球,在其升空后再用巨大的绞盘将其拉下来,以节约氢气。
这一年正值巴黎召开世界博览会,吉法德将自己的系留气球设置在巴黎图伊勒里宫广场供游客体验,这也成为一个重要的展览项目(见图1-22)。气球展览项目大获成功。在五个月的时间中,有多达35000名游客进行了升空体验,人们第一次可以用鸟类的视角俯瞰巴黎全城。可惜第二年,一场飓风将气球吹坏了,项目只好终止。
图1-22 在图伊勒里宫广场上的吉法德系留气球(1878年)
1882年,吉法德因眼疾失明选择了自杀,死前他立下遗嘱将财产捐给基金会用于科学研究和人道主义援助。