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第18篇《没有航空模型,就没有航空发展》

所有现代航空器都是从航空模型进化来的。在人类飞上蓝天的探索实践中,毫无例外都是先静态模型,后动力模型;先模型/样机,后实物真机。没有模型,就没有航空创造;没有模型,就没有航空发展。

一、关于航空模型的历史回眸

中国是发明和应用航空模型最早的国家。据司马迁《史记》记载,公元前507-444年期间,鲁班(即公输班、公输般、公输子)制成能飞的“木鹊”,并用于观察敌方阵地;关于这段史迹,《墨子》一书中有生动的描述:“公输子削竹木以为鹊,成而飞之,三日不下。”意指借风高飞、久飞。南北朝时范晔(公元420-479年)著《后汉书·张衡传》记载:张衡(公元78-139年)曾作木鸟,有翅,腹内有机关,可飞数里。这些都是了不起的航空模型,它们御风而飞的图景想来是何等美妙。可惜只有文学性描述,而无技术意义上的记录。

古代中国最杰出的航空代表作,当属风筝(鲁班的“木鹊”实为硬体风筝,约在公元前206-公元25年间转用纸张,始称"纸鸢")、竹蜻蜓(约在公元前500年)、孔明灯(约在公元200-230年间)和火箭(约在公元1000年),在学理上恰对应当今的四类航空器,分别是固定翼飞机、旋翼机、现代火箭和浮空器。以致于美国航空博物馆里有醒目的大字写道:“人类最早的飞行器是中国的风筝和火箭”。六年前,我和同事们编写《新航空概论》时,发现这一有趣但绝非牵强附会的学理关联,一致认为,这四件杰作堪称中华文明奉献给世界的另类“四大发明”。

令人扼腕叹惜的是,在历史的狼烟里,自宋代之后,中国人活跃的创新思维与活动戛然而止,上述精巧绝伦的原创航空模型也被永远定格在技艺层次,而未能提升到科学与理性的高度。同中华文明相对应,以古希腊阿基米德(公元前287~前212)、英国罗吉尔?培根(1220~1292)和文艺复兴巨匠达?芬奇(1452~1519)等为代表的西方先哲,在航空领域建树颇丰。遗憾的是他们的成果或被埋没,或被贬斥,或被遗落(达?芬奇的成果19世纪后期才被发现),对于航空发展的实际影响也很有限。

16世纪末完成的文艺复兴运动使欧洲冲出了中世纪的黑暗,带来了从17世纪开始的欧洲科学革命和呼啸而来的蒸汽时代、电力时代。在这样的时代背景下,航空科学理论和实验获得突破性进步,不仅出现了像瑞士伯努利(1700~1782)和英国乔治?凯利(1773-1905)这样的科学大师,而且出现了一大批科学实证的实践家、探险家、发明家,在莱特兄弟之前的光荣代表是莫扎伊斯基(俄罗斯1825-1890)、奥托.李林达尔(德国1848-1896)、S.P.兰利(美国1834-1906)和桑托.达蒙(巴西1873-1932);他们都是先制作航空模型、验证其构思与原理,而后成为航空器的发明与试验大家,做出杰出贡献,甚至奉献出生命。

航空科学巨匠(自左至右:阿基米德、达?芬奇、丹尼尔?伯努利、乔治?凯利)

航空先驱(自左至右:莫扎伊斯基、李林达尔、兰利、杜蒙)

二、动力航空模型飞行成功

1796年,凯利在研究中国竹蜻蜓和科学计算的基础上制作出一架模型直升机。1799年,他设计出几乎具备现代飞机所有主要部件的飞行器草图。困扰凯利的问题是没有合适的动力。直到1848年,凯利已75岁高龄,仍无合适的发动机来证实他的理论和设计。1849年,他造了一架三翼滑翔机,载着一名10岁孩童,进行了人类历史上第一次载人滑翔机系留牵引飞行。

俄罗斯发明家莫扎伊斯基(1825-1890)在俄罗斯有着崇高的地位,前苏联于1963年发行的纪念邮票中称他为世界飞机发明第一人。而且航空界似乎都认可,他在1882年实现了世界首次有科学记载的动力模型飞机飞行。但事实上,这种认定是有偏差的。

莫扎伊斯基从1856年开始研制重于空气的飞行器。他对航空的贡献毋庸置疑。但被广泛认可的1882年7月20日的以蒸汽机为动力的试验机飞行,并未成功,飞机只在地面上跳跃几次,并未飞起,而且失败一直延续到后几年。原因同凯利一样,也是找不到好的动力。因无合适动力而导致失败的悲剧,后来又在美国人兰利的探索中重演。

但可以肯定的是, 莫扎伊斯基的确实现了动力模型首飞,而且比1882年更早。他设计制作了多种缩比的模型飞机,这些模型均具有现代飞机的基本部分,而动力由弹性件(如钟表发条)提供,可使三个螺旋桨旋转。这些模型不但能在地上滑跑,而且还能凌空翱翔。模型飞机的试验证实了他在飞机几何形态、升力特性、螺旋桨拉力和重量等方面所作的计算和推测,并据此开始设计和制造自己的飞机。

有据可查的是,1876年,莫扎伊斯基成功地进行了单翼飞行器模型的稳定性表演,确切的飞机尺寸未见记载,应该还是缩比模型机,但他的简易动力模型飞机确已达到了很高的水准。

还有记载称,1850年法国人彭诺德用橡筋作动力,设计制作了航模,由于橡筋的效能高,马力与重量比大,模型很轻,飞行成功。这比莫扎伊斯基还要早26年。

我在这里引证莫扎伊斯基和彭诺德的业绩,为的是说明动力模型在飞机发展进程中的作用(即使采用如橡筋、发条、弹簧等提供的简易动力),这是必经的阶段。而且,由于其独有的作用和魅力,至今还在现代航模、如自由飞中占据重要地位。

三、从航模到真机、从无人到有人的进化

美国的塞缪尔·皮尔伯恩特·兰利(1834-1906)也是一位伟大的航空先驱,他不仅在飞行理论研究方面多有建树,而且在工程研制中成就卓著。1896年他制作了一个带动力机械的飞机模型,在150米高度留空飞行近3个小时;这是历史上第一次重于空气的有动力飞行器实现稳定持续的飞行,意义重大。

此后,他得到美国政府资助,在成功的模型机基础上,研制一种载人飞机“空中旅行者”。这架飞机采用前后串置的机翼布局,以内燃机为动力,采用弹射方式起飞。遗憾的是1903年10月7日和12月8日的两次试飞均告失败,飞机折尾沉水。虽然未能成功,但却留下了珍贵的数据资料。他的探索实践演绎了从航空模型到真实飞行器、从无人到有人飞行的进化规律。

“空中旅行者”试飞失败后,舆论一片哗然。“纽约时报”刊文予以嘲讽,称“再有一千年,人也飞不起来。”还有人说,上帝要让人飞,为什么不给他翅膀。

然而,仅仅九天后,即当年的12 月17 日,莱特兄弟的有人飞行器“飞行者1 号”成功飞上蓝天,科学先驱们的伟大实践回击了嘲讽者的短视和浅薄。历史不仅记住了有动力载人飞行的首创大家——莱特兄弟,也给了虽败犹荣的兰利以崇高的地位,著名的美国空军兰利实验室、NASA兰利研究中心都以兰利的名字命名,美国的首艘航空母舰也被命名为兰利号。

 兰利1896 年试飞的动力模型飞机复制品

兰利的“空中旅行者”试飞失败

莱特兄弟“飞行者”1号试飞成功

时任总统塔夫特嘉奖莱特兄弟

四、航空模型正继续发挥重要作用

航空探索的早期, 航空模型具有强烈的科学实证性质,至今,也仍是研制各类飞行器的重要手段。

1905年国际航空运动联合会(FAI)成立,在其领导下,航空模型逐渐成为一项有组织的全球性、群众性竞技运动,以致大家淡忘了航空模型本身的技术内涵和丰富的探索史迹。

上世纪末至今,由于无人机、特别是低成本/消费类无人机的横空出世,使中低端无人机和中高档航模的飞行性能接近;航空模型不仅进入寻常百姓的生活,而且回归其科学试验验证的作用。

当今,航空模型的两大使命是:

第一,航空模型是科学试验的有效工具

飞机的研制一般分为论证、设计、工程研制、设计定型和试生产等阶段。传统程序里,在论证和设计阶段需要“吹风模型”用于风洞试验,设计和工程研制阶段需要电子模型和实物样机(或全尺寸,或舱段,或木质,或金属,视需而定),这些都可以称为模型。这些模型,都具有强烈的实证功能。随着电子样机和模拟/仿真手段的应用,对模型的需要在改变。但“吹风模型”和部分功能验证用实物样机,在现阶段仍不可替代;而在原理与布局创新的新飞行器研发中,作为验证用的高端动力模型更为必需。

航空模型用于科学试验的最重要的战场,是验证新飞行原理、新气动布局以及一切需要用飞行来验证的新技术。在我们举办的国际无人飞行器创新大奖赛中出现的优秀作品,特别是创意赛作品,多数属于航空模型,而非无人机。一些作品,使用人工遥控,机上也无载荷,只是为了验证新原理或新布局是否可行。这正是中高档航模和中低端无人机相重合的功能领域。

风洞试验中的吹风模型

第二,航空模型是科学普及的最佳载体

航模运动在全世界有众多的爱好者,包括自由飞行、线操纵圆周飞行、无线电遥控飞行、像真模型飞等各类项目的竞技比赛开展得规范而热烈,被认为是一项高雅运动。在中国也有很好的基础,取得很大的成就。这些活动本身对于传播航空知识、扩大航空的社会影响,具有重要作用。而运动背后的航模制作,不管是专业级的,还是面向青少年的业余级,技术含量都不低。

近几年,中国航空学会在全国推进航空特色学校设立,其中一项内容,就是要求航模制作在该校科技实践课程中占有重要地位。把制作航模当成普及航空的载体,寓教于乐,启蒙兴趣,加深认识,传播知识,效果不错。我们应该更多地关注和推动面向学校、面向青少年的航模活动。让更多的青少年热爱和投身航模活动,从这里起步,去领悟航空模型航空器的丰富内涵,用自己的手和心去触摸和感受飞行的魅力;这既是学习航空知识的生动课堂,更是献身伟大航空事业最初的战场。

在我们身边,有一大批矢志航模、钟情普及、关爱下一代的专家和老师,他们是航空事业默默耕耘的幕后英雄,我们应该向他们表达由衷的尊敬。

无人机创新大赛中的部分作品,实为验证飞行原理的航空模型

南磨房小学校长杨毅(他和同事们在学校设“航空日”,倾力推进航模活动,成绩卓著)

辛勤耕耘的符其卫老师(他把才华和精力全部献给“孩子们的航模”)

群众性的航模竞赛活动

网络游戏中的中国古代“木鸟”

 

 

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