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飞艇华丽转身又归来(上)
    时间:2016-12-23     点击率:2478

编者按:本刊在2010220日曾在“前沿动态”栏目里登载了《美国临近空间飞行器技术发展概述》一文。六年时间过去了,临近空间飞行器有了长足的发展,特别是中国“圆梦号”平流层飞艇在2015年试飞成功。今天,力学所毛天祥研究员又以隽秀的文字讲述了飞艇的前世今生故事,本刊将分两期在“科普花园”栏目连续刊载,以飨读者。

 

飞艇华丽转身又归来(上)

毛天祥

提起飞艇,相信人们并不陌生。甚至,当我们在街头巷尾漫步时,会偶尔地发见蔚蓝的天空里,有一个圆圆胖胖的流线型物体在悠悠地飘移着。也许,小朋友们会兴奋地指点着、叫嚷着“飞艇!飞艇!”是的,它不像飞机那样在身躯两旁有一对大翅膀,更不像飞机那样急速地从我们头顶上呼啸而过。可是要论起“辈分”来,飞艇要比飞机整整地早了一代呢!因为飞艇的发明是十八世纪末的事儿,而飞机却是在二十世纪初才研制成功的。

各式各样的靓丽飞艇

大家知道,1894年,里林达尔试飞滑翔机成功;1903年,莱特兄弟制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者1号”并试飞成功,莱特兄弟的巨大贡献就在于实现了飞机依靠发动机和螺旋桨的载人飞行。1908年,莱特兄弟进一步改良了他们的飞机:装置了22千瓦的发动机,改造了坐椅,并使驾驶人坐在机翼中间进行操纵。这一年他们在法国巴黎举行了飞行表演,创下连续飞行2小时2223秒、飞行距离117.5千米的记录。而飞艇的发明,则要回溯到十八世纪末。1783年,只能被动地随风飘飞的气球发明之后,人们马上就想方设法推进和驾驶气球。而能够主动飞行并可以操纵控制的气球,其这就是一种飞艇了!

1784年,法国罗伯特兄弟制造了一艘人力飞艇,长15.6米,最大直径9.6米,当气囊充满氢气后可产生1000多千克的升力。罗伯特兄弟认为,飞艇在空中飞行和鱼在水中游动差不多,因此把它制成鱼形,艇上装上了桨,这桨是用绸子绷在直径2米的框子上制成的。76日,他们开始试飞,当气囊充满氢气后,飞艇就冉冉上升了。然而可怕的事情却发生了:当飞艇高度越来越高时,气囊越胀越大,眼看就要胀破了! 罗伯特兄弟只得赶紧把气囊刺破,飞艇才安全降到了地面。这里的原因不难解释:当人们在地面上把氢气充入气囊后,随着飞艇的升高,外部大气的压力逐渐下降,而密封在气囊里氢气的压力仍保持为地面处1个大气压的数值,这样飞艇气囊就会不断地胀大。这次试验启示他们,应当在气囊上留一个放气阀门。2个月后,兄弟俩在对飞艇进行了改装以后,又做了第二次飞行。这次飞行由7个人划桨来做动力,飞行了7个小时,但只飞了几千米。虽然飞行速度很慢,但它毕竟是人类第一艘有动力的飞艇。

在随后的年份里,人们曾试验了各种各样的用手转、脚踏方式操作的空气桨驱动的飞艇。但是仅凭人类这种动物的力量,作为起推进作用的发动机,能量实在太小了!然而,好在十八世纪中叶,欧洲的工业革命方兴未艾,蒸汽机、内燃机、电动机相继发明,为飞艇动力的改进创造了条件。1851年,一台重160千克、功率为2.2千瓦的蒸汽机制造成功,随即被法国的工程师吉法尔应用于飞艇上。他制造了一艘橄榄形的飞艇,软性充气囊长44米、最大直径13米。飞艇上安装了直径3米多的三叶螺旋桨,悬吊在下面的蒸汽机提供所需的动力,在软气囊下有一个三角型风帆可以操纵飞行方向。1852924日,这艘以蒸汽机做动力的飞艇在巴黎郊区的竞技场试飞,以约每小时8千米的速度喷着烟向远处飞去,终于胜利地在28千米以外的地方着陆。由于没有考虑操纵问题,因而飞艇起飞后不能返回起飞地点着陆。

吉法尔飞艇

初期的飞艇飞行中有一个难题没解决:那就是飞艇一升高就要通过阀门放气,以防止气囊膨胀爆裂;但气放掉之后,飞艇就再也无法继续升高了。这一问题的解决,得助于法国的查理教授和罗伯特兄弟。他们于1874年制成了一种装有空气房的气球,这种气球的外面是一个大的丝质胶囊,里面还有一个小气囊,小气囊上面有一个气体阀门。外囊充氢气,内囊充空气(因而它被称为“空气房”)。气球在升空之前,先将“空气房”充满空气。当气球升到一定高度后,就将“空气房”打开,放出一部分空气。当外囊膨胀时,“空气房”就因受挤压而缩小,这样便使外囊体积增加,从而膨胀的压力有所减小,以保证气囊不致胀破。此后,“空气房”很快便在所有飞艇上使用了,并一直使用至今。这是飞艇发展史上的一个重大突破。

1884年,法国军官路纳德和克里布又制造了一艘“法兰西号”飞艇,长51米,前部最大直径8.4米,采用蓄电池供电的电动机做动力。89日凌晨4点,在法国科学院观察员的陪同下解缆试航。飞艇从查莱斯默登起飞,先向南飞行,然后向凡尔赛宫飞去,在离开出发点约4千米处返航。在高度300米处打开放气阀门排氢降落,在降落中多次前后转动,以对准着陆点。飞艇到达80米高度时,丢下缆绳由地面拉降固定。试飞历时25分钟,飞行速度最高达每小时24千米。这是人类第一艘能操纵的飞艇。

法兰西号飞艇

    当然,在飞艇发展史上,不得不提到的一位重要人物是德国的退役将军齐柏林,他是硬式飞艇的发明者,被后人称为“飞艇之父”。早期的软式飞艇的气囊要靠充气的压力才能保持外形,而且它们飞得又慢又低。1900年,齐柏林制造了世界上第一架硬式飞艇,长128米,直径11.7米,装有216马力的内燃机,还装有方向舵和升降舵。它的最大特点是有一个硬的铝材骨架,骨架由一根腹部纵向大梁和24根长桁及16个框架构成,并使用了大纵向和横向拉线,以增强结构强度;艇体构架外面蒙上防水布制成的蒙皮,艇体内有17个气囊,总容积达到1.2万立方米,比当时软式飞艇大56倍。由于多气囊能起到类似船上隔水舱的作用,所以大大提高了飞行的安全度。72日,第一艘齐柏林式飞艇LZ-1号进行了首次飞行。

1908年,齐柏林使用自己的全部财产设计制造了当时世界上最大的一艘飞艇Lz-4号。齐柏林对这艘飞艇的性能非常满意,他曾亲自驾驶这艘飞艇做了一次远航试验:从德国起飞,飞过阿尔卑斯山,到达瑞士后返航。这一成就引起了德国政府的重视,他们宣布:如果飞艇续航时间能超过24小时,政府就购买它,并支付发展硬式飞艇所花费的全部研制费用。84日,Lz-4号飞艇正式接受政府检验。但正常飞行几小时后,发动机出了故障,飞艇只好迫降进行维修。但正当齐柏林准备再次升空时,一阵狂风骤起,将锚绳吹断,飞艇朝一片树丛撞去当场毁坏。

正当齐柏林走投无路时,《法兰克福时代报》的记者艾肯纳博士帮助了他。他将飞艇的试验情况做了客观的报导,又把齐柏林为发展飞艇而奋斗的事迹做了介绍。在全德国的报纸转载这篇文章后,齐柏林的事迹深深打动了人心,德国人民发起了一场捐款活动,在很短时间内就筹集了600万马克,足够齐柏林再造一艘新飞艇。齐柏林总结了失败教训,重新设计制造了Lz-5号、Lz-6号飞艇,它们都成功地在空中停留了24小以上。后来,齐柏林与艾肯纳成立了世界上第一家航空公司——德拉格公司。1910622日,Lz-7号飞艇承担首航运输任务:从德国法兰克福飞往杜赛尔,一次载客24名,另有12名乘务员,飞行速度为每小时70千米上下。这是世界第一条定期空中航线。

齐柏林逝世后,艾肯纳博士提出了一个大胆的计划:建造一艘环球飞艇,开辟洲际长途客运。这艘环球飞艇长237米,最大直径30.5米,可充10.47万立方米的氢气,本身重量为118吨,载重53吨,用5台柴油发动机做动力,最大速度每小时193千米。为纪念齐柏林,特地将这艘飞艇命名为“格拉夫·齐柏林号”,由他的女儿主持了建成典礼。192988日,格拉夫·齐柏林号飞艇开始了它的环球飞行:从美国的新泽西州出发,经过德国、前苏联、中国、日本,于826日回到洛杉矶市。整个航程历时217小时34分。齐柏林号飞艇环球飞行的成功大大促进了飞艇的发展。

完成环球飞行庞然大物——“格拉夫·齐柏林号”

据统计,在20世纪2030年代,美国建造了86艘,英国建造了72艘,德国建造了188艘,法国建造了100艘,意大利建造了38艘,前苏联建造了24艘,日本也建造了12艘。这是飞艇的鼎盛时期,所以人们把这期间称作飞艇的黄金时代。例如,1929年德国制成的大型飞艇“兴登堡号”,便长达245米,直径超过41米,总重206吨,曾10次往返飞行于美国和德国之间,运送过旅客1000多人。但是这一时期的飞艇都使用氢气作为浮升气体,易燃易爆,很不安全。1937年,德国飞艇“兴登堡号”在着陆时因静电火花引起氢气爆炸,97名乘员中有36人遇难,被称为“空中泰坦尼克”。而且英、美等国也有多艘大型飞艇相继失事的情况发生,此后飞艇的发展陷于停滞状态。特别是随着20世纪飞机、卫星等技术的迅速发展,飞艇曾一度退居到天空舞台的一个小小角落里,人们几乎见不到它们的面容了。

“兴登堡号”飞艇罹难

飞艇前世的兴衰故事,告诉了我们:任何一项高技术的产生都不会是一帆风顺的,都要经历许许多多的挫折与失败的。在下一期里,我们还要接着讲讲飞艇今生华丽转身又归来的故事。