竹蜻蜓的飞天梦想

作者: 卢比与钢蛋

来源: LBM与流体力学

发布日期: 2022-06-06 12:51:26

本文探讨了竹蜻蜓如何启发人类设计出直升机和飞行汽车,从竹蜻蜓的起源到现代直升机的发展历程,详细介绍了旋翼机的历史、技术挑战及其在现代航空领域的应用。文章还展望了电动化时代对飞行器发展的影响,以及未来旋翼机可能成为人们自由出行的工具。

从一支竹蜻蜓开始,人们如何飞向天空?

双手轻轻一搓,竹蜻蜓就会飞上天空,伴随的便是孩子们的一阵阵欢呼。起源于公元前500年的竹蜻蜓,陪伴了许多孩子的童年,也承载了很多人飞向天空的遐想。那么小小的竹蜻蜓是如何引导人们设计出复杂的直升机甚至是飞行汽车呢?

许多人对固定翼飞机并不陌生,比如我们日常乘坐的民航客机。而旋翼机则并不常见,它们的身影通常只能在旅游,救援或者军事行动中才会出现。而事实上,旋翼机的出现并不算晚,也有了超过百年的历史。那么旋翼机的起源究竟如何呢?

正如前言部分所说的,人类最早的旋翼设计理念源自竹蜻蜓,而人类首个旋翼飞行的设计手稿则来自于有着“穿越者”美称的达芬奇。首次以旋翼方式将人类带离地面并实现短暂自主飞行的,则是法国人保罗·科尔尼。1907年11月13日,科尔尼乘坐在自己研制的载人直升机“飞行自行车”号上,依靠一台24马力的发动机垂直起飞,离开地面0.3米并连续飞行了20秒。这距离莱特兄弟的“飞行者一号”的首飞还不到四年。

在科尔尼之后,也有许多旋翼飞行的先驱们不断尝试其它构型,其中介于直升机和固定翼飞机的中间产物“旋翼飞机”在二十世纪初占据了主流。它将旋翼和固定翼相结合,利用固定翼提供的升力和稳定性来辅助飞行,比如下图中西班牙工程师胡安·切尔瓦(Juan de la Cierva)所发明的飞机。

伊戈尔·伊万诺维奇·西科斯基1889~1972年5月25日,西科斯基出生。像许多航空大佬一样,西科斯基从小就喜欢制作飞机模型,并在12岁的时候成功制作了一个橡皮筋动力的直升机。青年时期西科斯基就读于圣彼得堡海军学院和基辅工学院。1908年,西科斯基从报纸上看到了莱特兄弟和飞机的照片,大受震撼,次年他便中断了基辅工学院的学习并转投当时欧洲的飞行中心巴黎,学习空气动力学。

1939年9月14日,西科斯基的直升机VS-300升空了,具有良好的操控性和安全性,成为世界上第一架实用的直升机。随后VS-300的改进型R-4列装美国陆军,成为世界首架规模化量产的直升机。其主旋翼直径达11.58米,最大起飞重量为1152公斤,航程达320公里。

直升机旋翼与生俱来就伴随着复杂性。从1907年科尔尼驾驶他的“飞行自行车”跌跌撞撞的离开地面,到1939年西科斯基娴熟的操纵VS-300飞行,时间已过去三十多年。反观此时的固定翼飞机,早已经历了多次洗礼,甚至催生出了喷气式飞机。运动复杂且难以操控是旋翼机发展缓慢的最重要原因。

当直升机向前飞行时,前行桨叶与来流相向而行,后行桨叶则顺着来流的方向向后运动,因而旋翼在不同周向位置时,产生的升力不同。如果不对刚性旋翼做出处理,则直升机将发生侧倾甚至倾覆。事实上,人们在早期旋翼机的试制中便遇到了这个问题,而解决的办法便是在旋翼根部增加垂直铰链,或者使用柔性叶片,使得旋翼可以产生自发的上下挥舞,产生变化的气流迎角并使得升力平衡。

尽管旋翼的运动非常复杂,不过历经数十年的优化迭代,西科斯基的单旋翼加尾桨的组合克服了重重困难并逐渐站稳了脚跟。而西科斯基之后还有众多发明家和企业家加入了旋翼机的研制行列。贝尔,卡莫夫,阿古斯塔,以及航空巨头麦道、波音和空客纷纷入局,并带来了许多经典构型的直升机。

电动汽车使得汽车行业迎来了几十年来最重要的一次改头换面,传统车企和造车新势力也纷纷踏入江湖。而随着电力在地面交通领域应用的逐渐成熟,不安分的人们又开始望向了天空。相比于传统的燃机,电动机的布置与控制都更加灵活,使得总距调节、周期变距、尾桨这些传统直升机上复杂而笨重的控制方式彻底改变。

在2022年的今天,许多雄心勃勃的公司已研制出令人惊叹的垂直起降飞行器,人们依赖于旋翼机自由出行的梦想也已经飞在空中。或许在不远的将来,当技术更加成熟,法规也更加友好,旋翼机可能会成为人们自由飞翔的便利工具。

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