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晨枫小苑

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晨枫  

西西河水浪打浪,一浪打到网易上。我本是喜欢纸上谈兵的一介草民,在西西河那边开了一个小铺子,这是海外华人的一个精神家园。我是一个一坐下来就不动窝的懒人,但架不住友人的邀请,到网易也开了一个茶摊。阿庆嫂是怎么说来着:来的都是客。希望您能喜欢我这小号。来来来,先握一个手! 当然,主有主规,客有客道。请勿随地吐痰,喧哗扰众,或者乱贴小广告。不欢迎指桑骂槐,更不准恶语伤人。

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硅谷中的明珠  

2011-08-28 01:19:11|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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硅谷是一个好地方,气候温暖,人杰地灵。或许这地方太好了,人们对深藏此地的明珠视而不见,这明珠就是在圣克拉拉的希勒航空博物馆。和华盛顿的国家 航空航天博物馆或者代顿的美国空军博物馆相比,或者和西雅图的波音航空博物馆相比,希勒航空博物馆可谓名不见经传,但这里收藏了一些真正的珍品。

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希勒航空博物馆不大

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这是航空先驱Stanley Hiller一手创建的

斯 坦利希勒是旧金山人,1939年,这个小神童15岁就进了名校伯克利加利福尼亚大学,一进大学就自己设计了一架共轴双桨反转的直升机。17岁时,这个设计 作为XH-44提交美国陆军,这是美国历史上第一架共轴双桨反转的直升机。这是直升机的黎明时代,西科斯基还在技术突破的前夜,直升机还只是一个近在眼前 但依旧可望而不可即的梦。

自从莱特兄弟在北卡罗来纳的丘陵地里那历史性的一跃,人们就对不需要跑道的垂直飞行念念不忘。既然飞机靠和空气的 相对运动产生升力,那在飞机还是静止的时候,使机翼动起来就可以产生升力。这就是旋翼。旋翼的道理不复杂,但发动机驱动旋翼转动,产生升力,旋翼的反作用 力就会驱使机体向相反的方向转动。如果不做任何补偿,旋翼和机体只能在空中打转转,更本无法实现正常的飞行。西科斯基的贡献在于采用一个单独的尾桨提供反 扭力,可以制止机体的反向旋转,不过尾桨消耗的功率对产生升力和推力没有作用,是纯消耗。使用共轴反转双桨不仅消除了反扭力,还使两副旋翼都产生升力,在 理论上大大增加了旋翼的效率。但在实际上,上下旋翼之间有气动干扰,反转双桨的升力达不到同尺寸的两副单桨。反转的双桨在一定程度上对消了旋翼的震动,比 单桨加尾桨的直升机的飞行要平稳。但两副旋翼不仅重量大、结构复杂,还增加了迎风阻力。不过希勒的工作还是非常杰出的,美国陆军为此特地给予推迟征兵的特 许,让希勒专心研制直升机。1944年,希勒在伯克利加利福尼亚大学的纪念体育场里试验了XH-44,紧接着在旧金山海边美国陆军航空兵的克里西机场外的 大草地上成功地在公众面前试飞。在雄伟的金门大桥的背景下,希勒的可以不靠机场就垂直起飞、着陆的直升机无疑是美国科技实力的现实写照。

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希勒的XH-44采用反转双桨

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但他的YH-32更加引人注意

不 过西科斯基的单桨设计相对简单,成本也低,西科斯基R-4成为世界上第一种大批生产的直升机,XH-44没有进入批量生产。但是希勒没有气馁。在喷气技术 萌发的50年代,希勒忽发奇想,将微型喷气发动机装到旋翼翼尖上,用喷气发动机推动旋翼旋转,这样也没有反扭力,而且取消了沉重的发动机、减速齿轮和传动 轴。希勒没有用沉重、昂贵、复杂的涡轮喷气发动机,而是用小巧、简单的冲压式喷气发动机。喷气发动机需要将空气压缩,然后和燃油混合燃烧,膨胀后向后喷射 产生推力。涡轮喷气发动机用涡轮驱动压缩机实现空气压缩,但在发动机相对于空气高速运动时,空气的动压本身就可以产生足够的压缩,省却压缩机。但是冲压发 动机有两个问题:一是在静止状态无法工作,需要有外来动力推一把;二是飞行速度大幅度变化导致空气动压大幅度变化,严重影响发动机的工作。但用于推动直升 机旋翼时,用蓄电池-电动机或者地面辅助动力可以将发动机导入初始工作状态,另一方面,旋翼的转速基本固定,负荷的大小是靠桨叶的迎角而不是转速改变。换 句话说,旋翼翼尖为冲压发动机提供了理想工作条件。希勒设计了YH-32,美国陆军和海军都表示了浓厚的兴趣。YH-32的试飞很成功,但暴露了意想不到 的问题:冲压发动机的噪声又尖厉又响亮,即使在对环保要求不大讲究的50年代也难以忍受。另外,早期冲压发动机的耗油较高,YH-32最后也无疾而终了。

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如果投产,XC-142本可以比V-22早50年投入使用

希 勒的兴趣在于垂直起落,但直升机由于旋翼同时产生升力和推力,尽管具有固定翼不可能具备的很多独特优点,但也有速度提不高的本质缺点。美国军方对直升机的 这些特点也很清楚,1959年,陆军、海军、空军联合提出研制垂直/短距起落战术运输机的要求,沃特、瑞安和希勒联合提出的设计方案入选,成为XC- 142。从某种意义上说,这是现代V-22的先驱,不同的是,垂直起落不是通过倾转发动机,而是通过倾转机翼实现的。在平飞的时候,机翼水平,和普通的固 定翼飞机一样;在垂直/短距起落时,机翼可以倾转到几近垂直的80度。由于发动机气流和机翼的方向一致,垂直起落时没有下洗气流部分受到机翼遮挡的问题, 机翼也起理顺下洗气流的作用,乱流的情况较少。倾转旋翼必须把发动机安装在翼尖,一般只能为双发;倾转机翼没有这个限制,只要是双数的发动机都可以。倾转 机翼的螺旋桨只有可调桨距,没有直升机或者倾转旋翼桨叶所需要的总距和周期距控制。

XC-142成功地进行了试飞,不仅做过常规的地面垂直 /短距起落,还演示了在航母上的超短距起落,滑跑距离微乎其微。XC-142的平飞速度和同时代的螺旋桨运输机相当,但具有良好的垂直/短距起落能力。不 过为了保证垂直起落时所有发动机的转速和推力绝对同步,发动机之间用复杂的交叉连接的同步轴连接,使得机翼结构很是沉重,而且机翼的气动弹性扭曲影响同步 轴的工作,同步轴还产生极大的噪声和震动。在没有电脑的年代,全手工的机械飞控很是复杂,在试飞中多次造成事故,最后没有投产就下马了。

作 为直升机的先驱之一,希勒的创新没有获得商业上的成功,但思想的火花依旧照亮了一代又一代航空人。1998年,75岁的希勒在圣克拉拉机场创立了希勒航空 博物馆,重点收藏和纪念加利福尼亚在航空方面的成就。XH-44和YH-32 自然得到收藏,XC-142则只有模型和图片。看着XH-44,不禁磋叹共轴反转双桨在美国没有生根,反而在苏联开花,卡莫夫的共轴反转双桨直升机打出了 苏联直升机世界的半边天。YH-32虽然还没有得到重生,但半个世纪以来,人们一直舍不得放弃这个天才的概念,或许哪一天安静、小巧、简单的喷气发动机可 以使希勒的“玩具”重上蓝天。

在规模上,华盛顿的国家航空航天博物馆、代顿的美国空军博物馆、西雅图的波音航空博物馆都要大得多,但除了上述希勒直升机外,这里还很有一些镇馆之宝,其中以世界上唯一的波音超音速客机模型为代表。

在 50-60年代时,超音速飞行代表了未来,不仅战斗机、轰炸机要超音速,民航客机也要超音速。英国和法国捐弃前嫌,联手打造统一的欧洲,“协和”式超音速 客机就是重要的契机。作为社会主义优越性的象征,苏联不甘落后,也开始了图-144的研制,最终甚至抢在英法之前首飞和投入商业飞行。美国作为西方世界最 强大的国家,自然也加入了超音速客机竞赛,波音、洛克希德、麦道都提交了设计方案,波音方案入选。这是波音707已经成为喷气时代民航的代名词的时代,波 音为了突出和波音707的血缘关系,把新的超音速客机命名为波音2707,也就是比波音707整整先进两代的意思。与此同时研制的波音747是波音用在美 国空军巨型运输机竞标中落选的方案(洛克希德C-5“银河”式入选),自费作为货机研制的,所以飞行员座舱抬高,空出机头空间,维持便于装卸货物的直通地 板,当然还有向上打开的球鼻门。波音对波音747作为客机的期望是在超音速客机投入使用前,用特别大的载客量降低单位载客成本,但最终还是要把客运市场让 给超音速客机,而改装为货机的。

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希勒航空博物馆的明星无疑是波音2707

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这架凝聚这美国希望的超音速客机在严重拖延、超支和无穷无尽的技术、环境困难后下马了

有 意思的是,美国政府从来对民航客机的研制采取置身事外的立场,但在这关乎国家形象和航空科技未来的疯狂竞赛中,美国国会想对待军事装备的研制一样,直接拨 款资助,这是美国历史上空前绝后的仅有一次。波音超音速客机开始的时候设计要求和“协和”式或者图-144相近,但这已经成为一个政治项目,美国国会要求 凸现美国实力的强大和美国体制的优越性,不断提高胃口,最后要求达到300人的载客量,可以跨越太平洋飞行,甚至要求达到三倍音速。这些不切实际的技术要 求最终使得波音设计不断返工的,从固定翼改为变后掠翼,因为成本和重量后来又改回固定翼,甚至基本气动布局都几番改动,造成研制的极大拖延和成本的极大提 高,花费10亿美元的研发经费后,惟一看得见摸得着的东西就是一架全尺寸模型。另外,60年代环保意识高涨,超音速飞行的噪声、污染和油耗成为众矢之的, “协和”式在九牛二虎之后终于研制成功,但差点被噪声、污染和油耗所击落。看到了这一切,美国国会终于在1971年终止拨款,波音超音速客机被迫下马。如 今人们能看到的这60年代币值10亿美元的结果,就是希勒航空博物馆里的波音2707超音速客机模型。

波音的模型原来是有机翼、机尾、发动 机的,但现在希勒航空博物馆里只有前机身,没有机翼、机尾和发动机。机头锥可以像“协和”式一样在起飞、着陆时下垂,以改善飞行员的视界。模型上可以清晰 地看见活动部分的结合部。观众可以走上去,进入机舱。驾驶舱在60年代属于最先进技术,但现在看来也就是“蒸汽机表盘”。客舱不算宽大,感觉比波音707 宽一点,但肯定没有现代宽机身客机那么宽。客舱壁板上挂着波音2707研制、组装和最后嘎然停工的图板,凄凉和失落充满在昏暗的空间里。更加悲哀的是,大 多数观众只是茫然地走过,最多闲来无事敲打几下机身听个响,对于这架镇馆之宝的意义全然无知。

从波音2707模型抬头看,就是AD-1斜翼 研究机。从气动上来说,飞机最大的奥秘就是机翼。从平直翼到后掠翼,这是飞行技术的一个突破,开创了高速飞行的新时代。后掠角越大,高速飞行阻力越小,但 低速飞行的性能越糟。变后掠翼是一个两全其美的好办法,但机械复杂,重量很大,昙花一现就退隐江湖了。可是空气有一个很好的性质,只有有一个“掠”,前掠 还是后掠并不在乎,一边前掠、一边后掠也不在乎,于是有了斜翼。更好地事情是,斜翼可以以机体为支点,在平直翼和大后掠/大前掠翼之间方便地改变。由于这 不像变后掠翼对变后掠铰的应力非常集中,斜翼本身是刚性和一个整体,产生的胜利在两边平衡,变后掠铰的受力情况极大地简化,机械复杂性和重量都大大降低。 AD-1就是NASA的斜翼研究机,成功地试验了变后掠的斜翼。

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斜翼的AD-1是一颗隐藏的珍珠

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斯坦福大学的斜翼把这个概念又推进了一步

变 后掠的斜翼概念在气动上十分吸引人,如果和飞翼的概念结合起来,就可以把航空技术中两大梦幻技术完美地结合到一体。飞翼把整个机翼变成承载结构,根本消灭 了不产生升力、只产生阻力的机体。变后掠的斜翼式飞翼则解决了很大速度范围内机翼后掠角的优化问题。更妙的是,如果发动机的安装吊架可以转动,利用翼下两 台或更多发动机的差动推力,可以自然地实现斜翼的扭转,连AD-1那样的机械式变后掠机构都省却了。离希勒航空博物馆不远的斯坦福大学正在研究这样的飞 机,一架大尺寸模型飞机就在这里,说明上还特意标志:“请勿触摸,这架模型飞机还要继续飞行试验”。

在天花板上众多的飞机中,很难不注意到 一架黑色的飞机,这是波音“秃鹰”无人机,198年首飞。这架无人机的翼展巨长,达到59.16米,甚至超过B-52轰炸机。在很大的机库改装的展厅里, 机翼差不多从一端延伸到另一端,幸好是吊在天花板上,否则地面上就不用放任何陈列了。“秃鹰”用两台两级机械增压的水平对置6缸发动机驱动,最大速度只有 370公里/小时。和大多数现代无人机不同的是,“秃鹰”是全自主的,不需要地面站遥控,当然卫星数据链还是必备的。1989年,“秃鹰”创造了 20415米的活塞式发动机驱动的飞机的升限记录,还是世界上第一架完全自主起飞、巡航、降落的无人机。不过“秃鹰”尽管是用碳纤维制造的,但气动设计没 有太多地考虑隐身修形,所以还是不够隐身,没有投入量产。

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波音“秃鹰”是第一架自主起飞、巡航、降落的无人机

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希勒J-10是早期采用降噪技术的直升机

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洛克希德YO-3A在声隐身上下的功夫更大

说 到隐身,人们基本上关心的是雷达隐身,至多还有红外隐身。在击毙本拉登的阿卜塔巴德作战中坠毁直升机残骸曝光之前,人们对声学隐身或者消音还关注不够。不 过希勒早就注意到了这个问题,希勒J-10要是研制成功,可能会成为隐身直升机的先驱。这是一架单座的微型直升机,主要用于验证直升机消音概念。除了降低 旋翼转速,希勒为发动机的排气口设计了一对很大的百叶窗,极大地降低了排气速度,增加和环境空气的混合,降低了发动机的排气噪声。希勒用尾撑末端侧向喷口 产生反扭力,取消了尾桨,进一步降低了噪声。不过J-10太超前于时代,早早夭折了,连首飞之日都没有见到。

真正悄悄地飞翔于越南天空的是 洛克希德YO-3A。这是一架观察机,兼有战术侦察任务,重点用于老挝边境上的胡志明小道。作为观察机,YO-3A需要长时间在目标区上空徘徊。前线越军 的防空能力有限,防空威胁不是太大的问题,但还是必须避免引起不必要的注意。另外,观察机必须不惊动游击队,才能悄悄找来空中打击力量,在游击队可以化整 为零消失之前给予打击。YO-3A不仅装备了在越战时代属于很先进的红外和光电夜视设备,还特别安静。不仅螺旋桨转速降低,发动机的排气也首先导入长长消 音器,然后才排放入大气。不过YO-3A也没有投入量产,只有几架供CIA用。

除了波音2707外,不大的希勒航空博物馆没有太多热点收 藏,但有很多值得细品的珍品,包括希勒的“飞行平台”VZ-1。在50年代,高速发展的航空技术给美国陆军以极大的想象空间,背包飞行器、单人飞行平台、 飞行吉普等都是这个时代的东西。一张漫画显示了美国陆军的想象:每个士兵站立在各自像小阳台一样的飞行平台上,一手操控,一手拿枪,这样一支天兵天将将能 够克服一切地形障碍,高速迂回和突破敌人的防御。VZ-1还真飞起来了,但试验表明,这东西的耗油量惊人,操作困难,大量装备一点也不现实,很快就放弃 了,如今成为希勒航空博物馆里的又一个正规收藏。

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希勒VZ-1单人飞行平台还真飞起来过

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VXT-8就是纸上谈兵了

出 口处有一个VXT-8单人飞行器,这比飞行平台要进一步,总算有一个座舱了。不过说这是座舱,不如说这是站舱,因为VXT-8采用直立起落,在地面上飞行 员是直立在“座舱”里,平飞的时候则是俯卧着。直立起落是一个很有意思的概念,飞机像火箭一样机头冲上直立着,依靠发动机推力直接把飞机推入空中,然后改 平像普通飞机一样平飞。VXT-8更进一步,采用环形翼,也就是说,飞机不再采用平面翼,而是采用圆筒形机翼。环形翼在气动上有很多独特的地方,但这是另 一个话题了。

斯坦利希勒在晚年患了老年痴呆症,还好在命运开这个残忍的玩笑之前,他给人们留下了这个博物馆。小小的希勒航空博物馆有很多惊喜。遗憾的是,这颗明珠依然被太多的人视若无睹,真是可惜。

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