从那支竹蜻蜓开始:人类早期直升机技术探索史
2020-01-11李航
李航
图1 竹蜻蜓
竹蜻蜓何时在中国出现,目前的文献已经很难考证。有资料显示,大约在14世纪时,竹蜻蜓被西方传教士带入了欧洲。现存的一些文艺复兴时代的绘画中,已经有了竹蜻蜓的形象。
在19世纪末,历史学家在意大利的米兰图书馆,发现了文艺复兴巨匠达 · 芬奇的一份从未发表过的手稿,手稿中有一张达 · 芬奇绘制的想象图。
这是一个用上浆亚麻布制成的巨大螺旋体,看上去好象一个巨大的螺丝钉。它以弹簧为动力旋转,当达到一定转速时,就会把机体带到空中。螺旋体下方有一个底盘,驾驶员站在底盘上,拉动钢丝绳,以改变飞行方向。
图2 达·芬奇的“空中螺旋”设计草图
历史学家把达芬奇手稿中的这台机器称为“空中螺旋(aerial screw)”。研究表明,这份手稿绘制于1475年左右,是在中国的竹蜻蜓传入欧洲之后。
这台从未被制造出来的机器,被视为人类最早的直升机设计图。不过,从手稿来看,达 · 芬奇似乎没有考虑给这台机器安装一个减速装置。
图3 被誉为“俄罗斯启蒙之父”的百科全书式学者,米哈伊·伊万诺维奇·罗蒙诺索夫
在1754年7月,被誉为“俄罗斯启蒙之父”的百科全书式学者米哈伊尔 · 罗蒙诺索夫,发明了一种改进版的竹蜻蜓——当时欧洲人称竹蜻蜓为“中国螺旋(China top)”——它的结构和竹蜻蜓大致相同,只不过采取了同轴旋转的两片叶片,在顶部多了一个鼓起来的弹簧装置,里面装有弹簧用来提供动力。
罗蒙诺索夫将这种“改进版竹蜻蜓”展示给了俄罗斯科学院,并提出可以使用这种装置将气象仪器带入高空。后来,俄国直升机设计大师尼古拉 · 伊里奇 · 卡莫夫曾承认,其“同轴双旋翼”结构受到罗蒙诺索夫发明的影响。
罗蒙诺索夫之后,1783年,法国人劳诺伊(Christian de Launoy)和彼恩韦努(Bienvenu)制造了一个和罗蒙诺索夫的发明差不多的装置,只不过为了提升升力,在叶片上绑上了一组火鸡羽毛。
被誉为“英国航空之父”的乔治 · 凯利爵士(Sir George Cayley)被誉为自达 · 芬奇后第一位真正系统研究飞行问题的先驱者。他受到劳诺伊发明的影响,也制造了一个类似的装置,但将动力装置改为由钟表的发条提供动力,据说最长可在空中停留27分钟。
图4 乔治·凯利爵士,被誉为“英国航空之父”
1861年,法国发明家古斯塔夫 · 德蓬顿 · 德 · 阿默库特(Gustave de Pontond'Amécourt)设计了一种小型蒸汽动力装置,并造出了模型。
按照阿默库特的设计,这一装置使用蒸汽机驱动叶片旋转,可实现升空。不过,这台装置从未被制造出来,其模型也从未真正升空。唯一留下的是阿默库特为这台装置起的名字——“直升机”(helicopter)。这也是“直升机”一词的起源。
图5 法国发明家古斯塔夫·德蓬顿·德·阿默库特(Gustave de Ponton d'Amécourt)
1878年,意大利工程师恩里克·弗兰尼尼(Enrico Forlanini)发明了一种装置:也由蒸汽机提供动力驱动叶片旋转,实现升空。这种装置被制造了出来,并进行了测试。它不能载人,却可以在测试中起飞升空至12米左右的高度,在空盘旋大约20秒。
1901年7月,德国发明家赫尔曼·甘斯温特(Hermann Ganswindt)发明了一种被称为“直升机”的装置,在柏林-舍讷贝格进行了首飞。甘斯温特的装置或许是第一个可载人的垂直起降飞行器。当时有人拍摄了首飞的电影,但遗憾的是,影片资料现在已经无法找到了。
图6 意大利工程师恩里克·弗兰尼尼(Enrico Forlanini)发明的“直升机“,该装置不可载人
圖7 托马斯·爱迪生也曾参与制造过直升机
著名发明家托马斯·爱迪生(Thomas Edison)也和直升机有不解之缘。1885年,美国出版人、投资家小詹姆斯·戈登·本内特(Thomas Gordon Bennett,Jr.)向爱迪生赠送了1000美元(购买力相当于今天的28000美元),用于制造“可垂直升空”的飞行器。
爱迪生用这笔钱设计了一架风格独特的直升机,使用内燃机作为动力。这架直升机造出了原型机,但在实验中,内燃机爆炸造成了一名工人被严重烧伤。之后,这一项目便不了了之。不过,在1908年,爱迪生为其设计的直升机申请了专利。但是这架直升机从未真正起飞过。
与爱迪生同时代的斯洛伐克的发明家简·巴希(JánBah·)也设计出了以内燃机为动力的直升机。他对爱迪生的内燃机进行了改造。1901年,简·巴希设计的直升机进行了试飞。
这架直升机可升空至0.5米的高度。之后,巴希又对内燃机不断进行改造升级,到了1905年5月5日,他的直升机飞行高度已经可以达到4米,并可飞超过1500米的距离。不过,由于爱迪生抢先一步申请了专利,巴希的发明一直少有投资人问津。
图8 生不逢时的斯洛伐克发明家简·巴希
1906年,法國的博吉特(Breguet)兄弟,开始试验多旋翼直升机。1907年,雅克·博吉特和路易·博吉特制造出来一台名为“陀螺1号”的原型机,这台原型机被认为是最早的四轴飞行器。
虽然日期有些不确定,但在1907年8月14日到9月29日之间的某个时间,“陀罗1号”进行了飞行测试,它将飞行员提升到约0.6米的空中,悬停了大约一分钟。由于这个原因,“陀螺1号”的飞行被认为是第一次有人驾驶的直升机飞行,但不是自由或不受约束的飞行。
图9 路易·博吉特
同年,法国发明家保罗·科努(Paul Cornu)设计并制造了科努直升机。它使用两个长达6.1米的同轴反向旋转旋翼,由一台24马力(18千瓦)安托瓦内特发动机驱动。
图10 博吉特兄弟的“陀螺1号”被视为最早的四旋翼飞行器
1907年11月13日,科努直升机进行了试飞,它可飞至0.3米的高度,并在空中停留了20秒。科努的直升机又飞了几次,达到了将近2.0米(6.5英尺)的高度,但它被证明不稳定,因此被放弃了。
丹麦发明家雅各布·埃勒哈默(Jacob Ellehammer)于1912年制造了埃勒哈默直升机。它由一个装有两个反向旋转圆盘的框架组成,每个圆盘的圆周上装有六个叶片。在室内测试之后,这架飞机在室外进行了演示,并进行了几次起飞。对直升机的试验一直持续到1916年9月,在起飞过程中,直升机翻倒,毁坏了旋翼。
图11 丹麦发明家、飞机设计师雅各布·埃勒哈默(Jacob Ellehammer)
在第一次世界大战期间,奥匈帝国发展了PKZ,一种实验性直升机原型,用来取代气球对敌方进行观察。这种直升机属于系留式直升机,它使用内燃机驱动旋翼升空,但无法自由飞行,需要用缆绳系在地面的固定物上,保持在空中悬停。奥匈帝国开发这种装置是为了取代气球——当时的气球多充氢气,非常易爆。
直升机的飞行原理与制造技术比固定翼飞机要复杂很多。因此,真正意义上具有实用价值的直升机,直到第二次世界大战末期才刚刚出现。
纵观整个19世纪,一直到第一次世界大战前,人类早期的直升机技术探索,总体来说停留在非常低的水平。
从今天的视角来看,当时的直升机,无论从设计思想、制造技术还是试飞数据,都幼稚得可笑。然而,任何技术的早期探索,都如同婴儿的第一声啼哭,在简单和稚嫩之中蕴藏着无穷无尽的希望和可能性。从那支来自中国的竹蜻蜓开始,正是达·芬奇、罗蒙诺索夫、乔治·凯利、爱迪生……一代代发明家看似幼稚的探索,推动了人类对“垂直起降”梦想的不断追寻,并催生了今日直升机技术的爆发。