能載人的“風箏”——滑翔機
德國工程師、滑翔飛行家奧托·李林達爾自幼酷愛飛行。在他的家鄉,每年夏秋兩季總有成群結隊的鸛從非洲飛來,冬天又飛回歐洲。李林達爾經常帶弟弟古斯塔夫去看鸛,那些鸛有的振翅飛入天空,有的在低空徐徐滑行,令他倆看得入迷。他們暗下決心,長大以後要像鸛一樣能在藍天上飛翔。
少年時代的李林達爾就開始進行撲翼飛行試驗,並且他還飼養了許多善於飛翔的信天翁和鸛,長期觀察研究鳥的飛行規律,並用自製的儀器驗證觀察的結果。他通過研究認識到了撲翼飛行的不現實性,便轉向進行固定翼滑翔機的研究和試驗。
1899年,李林達爾和弟弟合作,以柳條、木材為骨架,用棉布做翼,製成了一架滑翔機。這是世界上第一架較成熟的滑翔機。為了進行試飛實驗,他在德國柏林郊區專門修築了一個斜坡。試飛時,他用雙臂將自己支撐在滑翔機機翼之間,用雙腿在山坡上奔跑起飛,像風箏一樣,讓滑翔機迎風起飛並帶人升上天空。起飛後,他的臀部和腿懸掛在滑翔機下麵,並通過擺動身體,保持滑翔機的穩定。李林達爾的試飛非常成功,飛行距離超過了30米。
李林達爾經過反複試驗,證實了當時許多人使用的平板翼麵完全不適合飛行,隻有像鳥兒那樣的拱形翼麵才適用於飛行,而且能大大節約動力。這個發現是當時航空技術的重大突破。
為了更進一步驗證滑翔機的性能,李林達爾又製造了多架不同形式的單翼和雙翼滑翔機,堅持滑翔飛行試驗。在1891年至1896年間,他在柏林附近的試驗場地進行了2000次以上的滑翔試驗,飛行距離高達75米、150米直至300米。他的滑翔機的特點是:中部設吊架,飛行員懸吊在架上,靠移動身體掌握重心位置,借以控製滑翔機的方向和速度。
正當李林達爾準備在充分掌握穩定操縱後,在滑翔機上安裝發動機以實現動力飛行時,一件不幸的事發生了。1896年8月9日,李林達爾和往常一樣進行試飛試驗。他熟練地操縱著滑翔機,滑翔機順利地起飛了。可是起飛一會兒後,忽然風力變弱,李林達爾準備下降滑翔機,卻不知怎麼原因滑翔機出了故障,從20米高處掉了下來,李林達爾被摔成重傷。第二天,他因傷勢過重,醫治無效而去世。
李林達爾雖然未實現動力飛行,但他進行的大量飛行試驗和研究為後來飛機研究者提供了寶貴的經驗,特別是飛機的發明者萊特兄弟從他的經驗中獲得了許多教益。李林達爾為20世紀的動力飛行成功做出了重要貢獻。
李林達爾的滑翔機,無論從形狀上還是飛行原理上,都與風箏類似。它們都是借助風力升上天空的,隻不過風箏的升力隻需大於風箏的重量即可,而滑翔機則要使升力大於自身和人的重量之和。所以說,滑翔機是一種能載人的風箏。
盡管後來萊特兄弟發明了飛機,各種高級的飛機又相繼出現。然而,滑翔機並沒有退出曆史的舞台。由於現代新材料技術的發展,又給滑翔機注入了活力。人們現在可以製造既結實耐用,重量又輕的骨架,再加上滑翔機結構簡單,製作和操作程序比飛機更簡易,而且場地要求不高,所以它被廣泛用於飛機訓練,並很快成為一項風靡全世界的航空體育運動。也許隻有在這唯一的機種上,人類才能重溫像鳥兒一樣在藍天上飛翔的夢想。
藍天上飛翔的機器鳥——飛機
展開雙臂,飛上廣袤的天空,與浮雲為伴,與百鳥同飛,一直是人類的夢想。公元1903年12月17日,美國萊特兄弟在總結前人經驗的基礎上,製成了世界上第一架有動力、能留空、可載人,能穩定自由飛行的飛機。人們自由在藍天展翅飛行的理想才得以實現。
萊特兄弟是威伯·萊特和奧維爾·萊特。他倆早在童年時代就向往藍天,當牧師的父親為了滿足他倆的愛好,經常購買飛行器一類的玩具給他們玩。有一次,父親為他們買了一架可直升飛行的玩具,其頂上有副螺旋槳,轉緊那根橡皮筋,螺旋槳飛快轉動,飛機模型就會飛起來。這件玩具使萊特兄弟著了迷,他們玩過之後還動手仿製。
為了飛上藍天,萊特兄弟非常想多學習一些科學文化知識。可是,由於父親的早逝,兩人中學畢業後便去工廠做工,失去了接受高等教育的機會,他倆為了養家糊口和實現童年的理想,一邊做著修理和製造自行車的工作,一邊大量翻閱有關飛行的書籍、資料。當他們了解到德國滑翔飛行家李林達爾,為了實驗飛機的滑翔進行過2000多次實驗,並在1896年的一次飛行實驗中失事犧牲的消息時,感到十分激動和悲痛,並決心要完成李林達爾未竟的事業。
萊特兄弟想方設法借到了李林達爾的《飛翔裝置的製作方法與應用》等書。他們看不懂德文,便攻讀和學會了德文。李林達爾的名言:“誰要飛行,誰就得模仿鳥兒”,深深地銘刻在兄弟倆的心裏。兄弟倆把自己的自行車修理車間變成了試製飛機的實驗工廠,最先,他們模仿鳥製成了一架滑翔機。1900年,哥哥坐上滑翔機在空中飛了一會兒。後來,他們開始著手製造動力飛機。他倆用一台12馬力的汽油內燃機做動力,裝上螺旋槳,以木料做骨架,以帆布做機翼,製成了一架雙翼飛機,取名“飛行號”。
1903年12月17日上午10時35分,在美國北卡羅來納州基蒂霍克海邊的沙丘上,萊特兄弟進行了第一次試飛。奧維爾不慌不忙地駕駛“飛行號”飛機,像一支離弦的箭衝向藍天。飛機在空中飛行了12秒鍾,在30米以外的地方著陸了。在場的人都高興地喊著:“成功了!成功了!”這是人類第一次使用動力載人飛機成功地飛上天空!
在這一天,萊特兄弟輪流駕駛飛機做了4次飛行,飛行高度從37米提高到260米,飛行時間由12秒達到59秒。這架飛機的原型至今還保存在華盛頓美國國家航空和宇航博物館內。
萊特兄弟的發明,使人們飛上藍天的夢想成為了現實。他倆的業績,將永遠載入世界航空史冊。
飛機的翅膀——機翼
機翼是飛機上用來產生升力的主要部件,是空氣動力學研究的主要對象。自從飛機問世以來,不少空氣動力學家不斷對其進行研究、創新,發明了一種又一種的機翼。
最初,飛機的機翼大都是矩形的。矩形機翼最顯著的特點是容易製作,但是,由於它的翼尖較寬,飛機飛行時會產生翼尖渦流,給飛機帶來阻力,所以嚴重地影響了飛機的飛行速度。為了解決這一難題,空氣動力學家們設計出了一種梯形機翼。梯形機翼能夠大大減少飛機的飛行阻力,而且也可以很方便地製作,所以,它很快地取代了矩形機翼。在20世紀30年代末到40年代末,梯形機翼幾乎是一統天下。
從萊特兄弟的第一架飛機問世,到第二次世界大戰末期,飛機的飛行速度由40千米/小時一躍而增至200千米/小時。就在人們向更高的速度進軍時,新的問題隨之出現。當飛機飛行速度接近音速,即時速很快達到1224千米時,一種怪現象很快出現了:整架飛機開始振顫,操縱機構失靈,接著飛機像撞到一堵堅硬的水泥牆一樣,突然爆炸,機毀人亡。許多架試驗飛機就這樣莫名其妙地失事了,但有一次美國空軍上尉哈利遜在飛機爆炸之前的一瞬間,跳傘成功,得以生還。科學家們對這種現象進行研究,發現飛機的飛行速度是不能越過音速的。如果超過音速,飛機前麵被壓縮的空氣就像一堵水泥牆,飛機無法將它劈開,而被這堵“牆”撞得粉碎。這種現象被稱為“音障”。
為了克服音障,提高飛機的飛行速度,科學家們研究發現,除了要提高發動機功率,增加各部件強度,使飛機表麵盡可能變得光滑,改進飛機的外形之外,還必須對梯形機翼進行改進。為此,空氣動力學家們發明了後掠翼,在突破音障,提高飛機的飛行速度上立了一功。
但是,後掠翼在受到升力作用時,機翼根部就會形成很大的彎曲力矩和扭轉力矩,這樣一來就要求機翼構架的強度很高,否則難以保證飛行安全。機翼的加強不外乎采用大尺寸合金鋼梁或增加機翼蒙皮厚度,這又會導致飛機重量增加,從而直接影響了飛機飛行速度、高度、航程等性能。為了解決這一問題,飛機設計師們揚長避短,設計出了三角翼。從平麵看,三角翼是一個等腰三角形,它的後緣是一條直線,兩個等長的前緣仍保留其後掠基型和突破音障的特點。由於它底邊把左右兩翼連成一體,剛度明顯增強,所以它可以做得薄一些、輕一些,而又無損它的承力性能。這樣,三角翼在20世紀60年代便成為空中佼佼者而風靡一時。
三角翼的一個重要缺點是善快不善慢。其表現是速度小時升力小、阻力大,因而造成了它遠航性能差,起飛著陸困難。針對這一問題,科學家們在20世紀60年代初又發明了一種能夠根據飛行速度大小來改變後掠角,具有快慢兼優特點的變後掠翼。
然而,要把一個承受著上萬千牛升力的巨大鋼鐵機翼在空中前後轉來轉去,需要非常複雜、笨重的操縱機構。為了很好地解決這個問題,科學家們又發明了邊條機翼。這種機翼主要在基本翼根前緣加裝了一條後掠角大於70度的邊條。高速飛行時,它猶如三角翼,保證飛機能克服阻力,突破音障。而在低速飛行時,邊條則能改善流經基本翼上的氣流流動狀態,來保證飛機有足夠大的升力。可見,邊條機翼既具有變後掠翼高低速兼優的性能,又具有體輕、構造簡單的優點。今天很多新式戰鬥機都采用邊條機翼。