【科普花园】《新世纪飞天梦》连载(4)升空飞天是人类不断的追求(之三)

作者:王柏懿 2021-03-31 08:31 来源:
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编者按:《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂,以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实,展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程,说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能,还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意,他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的,有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗?”等框图形式在文中给出。 

2、升空飞天是人类不断的追求(之三) 

2.3飞机像金属大鸟遨游天空 

  如今,人们随时都会看见银色的飞机,如同矫健的大鸟,在蔚蓝的天空中一掠而过。无论是险峻连绵的高山,还是一望无际的大洋,都不会让人望而生畏,一只只银燕把不同地区、不同种族、不同肤色的人们紧密地联系在一起,播种友谊,传递信息,共同推进人类的文明。所以,人们说飞机是历史上最伟大的发明之一。 

  我们知道飞机是用金属材料制成的,加上乘员、货物和装备,远远重于它所排开的空气,所以不能像气球、飞艇那样依靠空气的浮力升空,那么这一只只金属大鸟是怎样能够在天空中自由遨游的呢?它们靠的是空气的升力。别看这里只有一字之差:“浮”和“升”,它们之间的科学道理就完全不同了。物体浸没在静止的流体(气体或液体)就会受到向上的浮力,这是阿基米德定律告诉我们的。物体只有在运动的流体中才会受到向上的升力,这是伯努利定律告诉我们的。这里的“运动”是相对的,可以是物体不动、流体运动,也可以是流体不动、物体运动。飞机就属于后一种情况:它在空气中高速运动,空气就产生了巨大的升力。 

  飞机所需的升力主要是靠它的一对大翅膀产生的,这里就要求机翼有特别的形状。如果我们来看机翼的横断面,它的上侧面是凸起的,而下侧面是平直的(甚至可能是凹进的)。这样,当速度为V的气流通过飞机机翼时(它相当于飞机在大气中以速度V飞行),由于机翼上侧空气流动过的截面积比下侧的要小些,所以机翼上侧的空气流动得比下侧的更快些。根据伯努利定理,机翼上侧的空气压力就会比下侧的小,于是上下侧面压力差就形成支撑机翼向上的升力Y。所以,有人开玩笑说:飞机不是被“托举”而是被“压挤”上天的! 

 

  上面的说明也告诉我们:产生升力的前提是飞机在运动,速度越快,升力越大。所以,飞机都要装备有发动机,它产生推力,使飞机向前运动。此外,空气流过机翼表面时会有摩擦,产生了摩擦阻力Q。所以,推力的另外一个作用是克服阻力。当然,真实飞机所受到的阻力不只是摩擦阻力,随着飞行速度的增加,还会出现压差阻力、诱导阻力、干扰阻力甚至波阻等等。为了提高飞行速度,我们一定要设法减小阻力,这样科学家和工程师们就不断努力地改进机翼布局,初期的飞机都是采用平直翼,后来逐步发展了后掠翼、三角翼,甚至发明了“鸭式”布局。 

  现在许多中学生、甚至小学生都听说过伯努利定理,它不是十分简单明了的科学道理吗?可是,你要知道,为了实现飞上天这个目标,人类竟然奋斗了千百年!现在人们都公认我们老祖宗发明的风筝是最早的飞行器,它已经有两千多年的历史了。而人类历史上第一架动力飞机“飞行者1号”是1903年由美国的莱特兄弟试飞成功的。这已经是1783年法国蒙特菲尔兄弟把载人热气球送到半空中以后的120年了。其实,莱特兄弟并没有受过高等教育,他们办过报纸,还开过自行车修理店,但是从小就对机械有着天生的爱好,而且对飞行的兴趣是随着年龄的加大而与日俱增。他们为自己的理想坚持不懈地奋斗了一生。 

  尽管“飞行者1号”待在空中的时间不到一分钟,但它第一次实现了利用重于空气、带有动力的飞行装置进行真正的可操纵飞行。为了这次试飞,莱特兄弟先后制造了3架滑翔机进行了上千次滑翔飞行,自制了200多个不同的机翼完成了上千次风洞实验,还请机械师制造了一台大约12马力的活塞式发动机。然而,当时政府和公众并没有承认这个发明,它被存放在马厩里好几年。不过,莱特兄弟一直没有放弃,他们又相继制造了“飞行者2号”和“飞行者3号”,并多次到巴黎、伦敦和华盛顿进行飞行表演。到了1908年,他们的发明终于获得了承认,从而掀起了航空热潮。此外,莱特兄弟载人飞行的成功,还奠定了今天宇宙航行的基础。特别是现今各类航天器的动力装置——火箭,它的工作原理和喷气式飞机发动机的工作原理完全类似。 

  从莱特兄弟发明动力飞机以来,又过去了一百多年的时间。今天的航空事业有了长足的进步,但其中的发展过程也充满了艰辛和磨难。我们知道,莱特式飞机是一种双翼机,在飞机发展的初期,人们一直在努力探寻着各种多翼机方案,这是由于当时发动机的功率较低,只得通过增大机翼面积的办法来增加升力莱特式飞机的历史功绩不容抹杀,但随着飞行速度的增加、飞行环境的恶化,它的缺陷就暴露了出来:在众多的飞行事故中,莱特式飞机多于其它类型的飞机。而且,科学家通过研究也发现:升力的增加并不是和机翼面积的增加成正比例,更可怕的是阻力也同时增加了,再加上多翼机的机翼之间有许多的支杆更是大大加大了阻力。此外,多翼机还有稳定性不够好等问题,所以多翼机就慢慢地退出了历史舞台。 

  现在,实际运行的飞机基本上都是单翼机了。这是由于20世纪中期以来,我们有了功率更大的新型发动机以及又轻又结实的铝合金材料。它们像一只只金属大鸟自由自在地在蓝天上翱翔,无论是民用的载客、运货,还是军用的作战、后勤,都发挥了巨大的作用。我们现在看到的单翼飞机都是固定翼,尽管从上面看下来有平直、后掠、三角和鸭式等不同形状,但从侧面看过去基本上是水平的。不过,在飞机发展的初期,也有人设计过、甚至制造过有着鸟儿一样翅膀的飞机。这并不奇怪,因为人类从学会直立行走开始,就羡慕能像鸟儿那样在天空中自由飞翔,并把上天的希望寄托在拥有一双羽翼上。但是在当时的条件下,它们都无法实现,最后以失败而告终。 

  甚至到了20世纪20年代末期,依然有人执意要模仿鸟类来提高飞机的飞行性能,美国人伦纳德·伯尼就是这样一位执着者。他在1925年打造了一只十足的“金属鸟”:圆润的机身采用铝制波纹蒙皮,并列双座驾驶舱呈气泡形,机翼和机尾更是鸟儿的翻版,只是他不像前人那样使用可以拍打的扑翼而是固定翼。他还把这架飞机命名为“伯尼之鸥”。然而,这架“鸟模鸟样”的飞机在1928年进行试飞时,只爬高10左右就摇晃起来,随后一头撞向地面,伯尼也被从座舱里甩了出来,并不治身亡。怪不得有人把这架飞机叫做“笨鸟”,因为英文“Gull 既有“鸥”的意思也有“愚笨”的意思。 

  然而,仿生设计一直是科学家和工程师的不懈追求,因为自然界的飞行生物(鸟类和昆虫)无一例外地都是采用扑翼飞行方式。它们的主要特点是将举升、悬停和推进等多种功能集于一个扑翼系统,可以用很小的能量进行长距离飞行,同时具有较强的机动性。在新世纪到来之际,扑翼机的研究又取得了不少的进步。例如,扑翼在微型飞行器中得到了较广泛的应用,它们翼展尺寸在15厘米以下,不能用于载人飞行,但在民用领域可以进行生化探测与环境监测,在国防领域可用于战场侦察、巡逻突袭、信号干扰等。 

   当然,在大型扑翼机方面也有了成功的例子。据报道,加拿大多伦多大学航空研究院的詹姆斯·德劳里埃教授于1996年设计出由单人驾驶的扑翼机“大鸭掌”,翼展12.5米,左右两个外端在活塞式发动机带动下可以上下扑动,翼面还可以绕机翼前沿的横梁扭曲,以模仿鸟翅的运动。这架扑翼机进行了多次试飞和修理,有关的运动规律还在摸索中。又据报道,加拿大多伦多大学航空与航天工程学博士生托德·雷彻特发明了一种可以真正振翅飞翔的飞行器“雪鸟”,这是世界上第一架利用人工动力的扑翼飞机,翼展长达32米,重量只有42.6公斤。201082,既是研发人又是飞行员的雷彻特,利用双腿踩踏板的方式,为“雪鸟”提供动力,实现了成功首飞。 

  是的,这些模仿鸟儿飞行的扑翼飞机正在研究试验的过程中,肯定还要经历许多次失败,但我们将会从这里得到灵感,激发我们去重新尝试各种可行性,并争取最后的成功。不妨想象一下:2050年,你可能会乘坐一只真正的金属大鸟在蓝天白云间上下翻飞,忽而急速俯冲,忽而昂首升空,忽而悬停伫立,忽而转弯盘旋。这就是一架能够如同鸟儿扑动双翅而自由翱翔的扑翼飞机,像英国概念设计师布瑞迪依据来源于动物的灵感所创作的未来幻想作品中描画的那样。它是不是很霸气呢? 

 

   

(未完待续

 

 

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