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打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义

(2016-03-12 16:42:44)
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杂谈

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义
      对于这一萌萌机的起源,还要再上溯几十载陈述下前情,或者说从“施耐德”杯说起。

莱特兄弟的“飞行者一号”的成功升空,两年多后桑托斯·杜蒙自制的14bis的在巴黎升空,FAI国际航空联合会成立,先期的飞行拓荒者也开组建公司批量卖飞机,这都在促进着各种飞机设计、制造和试验的竞赛和展览活动的蓬勃兴起。亦如今天国内热钱不断涌进的互联网行业,当时的“天使投资人”们也热衷出资举办了多项飞行竞赛,比如著名的出版商詹姆斯·戈登·贝内特赞助的戈登·贝内特杯,法国著名钢铁和军工大王施耐德之子雅克•施耐德创办的水上飞机竞赛“施耐德”杯。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 桑托斯·杜蒙自制的14bis在巴黎升空

虽然水上飞机的诞生相对较晚,但毕竟地球大部分是被水所覆盖的蓝色星球,水上飞机的起降便利性,在当时被解读为是可以解决跨洋远距离飞行的,也因此施耐德将资金投向了水上飞机的竞赛。施耐德杯的基座 22 又 1/2 英尺,主体为铜质雕塑,一名女神正飞翔掠过海神波塞冬和其三个儿子所主宰的海面,女神用自己的用嘴亲吻海水,寓意水上飞机劈波斩浪,无所畏惧。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 施耐德杯

这项历史上最富盛名的航空竞赛,成为当时法意英美等航空技术强国的实力比拼平台,施耐德杯的“速度的狂飙”也开创了航空史上一个技术狂飙的黄金时代,成为航空工业技术发展的晴雨表。自然,对于本文主角萌萌机的意大利来说,在好大喜功的墨索里尼的强力金元支持下意大利多次捧起了施耐德杯,意大利的航空工业也得到了加速式发展。施耐德杯的水上飞机速度竞赛中,最终的速度之王就是意大利马基公司的 M.C.72,至今仍是速度最快的活塞式水上飞机。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 马基的M.C.72,水上飞机的速度之王

 

一心一意谋发展 卯足干劲求突破

但这架代表着当时世界顶尖航空技术水准的“竞速机”,即便在继续打磨连铆钉都与表面平齐的超流线型光滑机身、用上最先进的可变距螺旋桨、发动机马力提高到2000马力后,所能创造的纪录也只是刚刚突破了700千米/小时大关。即便是后来换上了3000马力的发动机,也并没有突破800千米/小时的速度大关。对于高速飞行这种颇有撞墙之感的技术困局,意大利卡普罗尼公司的工程师路易斯·斯蒂帕经过大量的风洞试验和理论推算后发现,问题症结是在这经典的活塞式发动机 螺旋桨的推进模式上。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 在萌萌机前的路易基·斯蒂帕(左)

当活塞式飞机向着800千米/小时的大关挺进时,提供推力的螺旋桨在高速旋转中翼尖部分已经接近了音速,随之造成的问题就是效率的急剧下降、推力下降。而且,机首螺旋桨的较大迎风面积所带来的阻力,对于速度闯关也是不利的。不仅如此,随着飞机的升限越来越高,空气也是会越来越稀薄,含氧量的降低,也会让活塞式发动机的功率大幅下降。对于这些因素综合造成的高速飞行困局,今天上帝视角的我们当然知道,破解之法是简单粗暴的上喷气式发动机,只要动力先(进),板砖也飞上天。但这项全新的动力技术在当时还只是概念雏形,而且当时对这纸上谈兵的技术还普遍满是质疑。

自然“历史的局限性”下当时的路易基·斯蒂帕也不能超越,只能继续走提升螺旋桨推力的老路,但也因此搞出的这个萌萌机及背后的技术精妙很让人Excited啊。

 

萌萌机背后的设计终极奥义

这架萌萌机的设计是把螺旋桨桨叶截短,整个机身做成圆筒将其包起来,这样的设计在后来看来是“涵道式推进动力”的概念模型。

将螺旋桨装在飞机机体内,虽然并未改变这架萌萌机仍是螺旋桨飞机的事实,但背后的科学道理是:贯通的机身就是包括一台活塞螺旋桨发动机的涵道,涵道内外的气流就会有速度差。那么,在“流速大的地方压力小,流速小的地方压力大”的伯努利原理的作用下,涵道内的高速气流可以拖动涵道外的低速气流,由此在涵道内气流流动产生的推力之外,又获得涵道内外速度差产生的额外推力增量。这是萌萌机背后技术的精妙点之一。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 “萌萌机”上打开了新世界的黑科技就是这机体内的涵道

由此,就可以更小直径尺寸的螺旋桨来获得同样大小的螺旋桨推力。螺旋桨的尺寸减小,迎风面积的减小是一方面,特别关键的收益是由此便可推迟了螺旋桨的翼尖在高速状态下的失速(线速度=角速度×半径r,活塞发动机驱动下螺旋桨的角速度是一定的,螺旋桨半径越小,翼尖的线速度越小,推迟了进入失速状态)、推进效率降低情况的出现。另外,涵道将螺旋桨环括其中,也使得结构更为紧凑、安全性更高,而且涵道本身在平飞状态就是可以比水平翼产生更高升力的“环形翼”。这便路易基·斯蒂帕是这架“萌萌机”涵道式结构的由来。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 涵道的构型,为活塞机螺旋桨直径尺寸的较小提供了可能。

但这还只是这架“萌萌机”机身涵道存在的理由之一。

而为了获得更大的额外推力增量就要使得涵道内外气流的速度差更大,因此这架萌萌机的机体内部的涵道还要有变截面的设计。理论上按照“流体的连续定理”和上面提到的伯努利原理,截面积小的地方,流速大,压强小;截面积大的地方,流速小,压强大,这架萌萌机内部的涵道应该是前后收缩,中间扩张的构型。但实际上并不是,这并不是萌萌机身上的终极奥义,因为这套理论只适合低速气流!

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 这张年代久远关于萌萌机的海报,可更为直观的看到其机体涵道的变截面构型。

而萌萌机是志在高速飞行的(即便后来我们知道并没有),高速气流下的流动特性会与低速气流有着质的差异。涵道管道的收缩将会使高速气流增压、减速,涵道扩张会使高速气流减压、增速,所以萌萌机前后扩张,中间收缩的机体构型,正是路易基·斯蒂帕的设计中最精华精妙所在。

打开了新世界的大门 萌物出世

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 New Italian Airplane for High Speed is Flying Tunnel

在参透上述打开新世界大门的终极奥义后,在墨索里尼的钱袋对施耐德杯意大利代表队永远敞开的支持下,这架颇具视觉艺术气息的萌萌机也就在卡普罗尼的车间开工了。不过这架萌萌机前后扩张、中间收缩的机体构型在建造上颇费“工匠精神”,除了木制骨架外,机体涵道的内外壳体都是完全由工人们纯手工将铝板敲制拼接而成的,整机制造的三分之二的工时都花在这上面了。19323月,路易基·斯蒂帕的杰作顺利的走出了卡普罗尼的车间。这架Stipa-Caproni/斯蒂帕-卡普罗尼真机亮相后,我们还能看到的萌点有,为保证机体涵道的贯通性,整机已无处安放的双人座舱,所以飞行员只能以犹如骑着木桶的姿态飞上天。另外,斯蒂帕给这个飞行木桶安上的两个翅膀,虽然今天看来已是无奇了,但在双翼机一统天下的背景下,斯蒂帕-卡普罗尼的这副“中单翼”,若是以今天中国互联网花哨营销的口吻一定会称骄傲的之为“×大黑科技”。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 “萌萌机”机体涵道的建造颇为耗时,而从这组车间照就是在拼接一个大木桶。

随后的6月,斯蒂帕-卡普罗尼“萌萌机”拖上了跑道,而这个大木桶果然也不负众望的飞了起来,但摇摇晃晃中的飞行速度却只有68千米/时(最大飞行速度也只有131千米/时),与高速飞行的设计预期相差十万八千里。这其中尤为浅显的原因就是,斯蒂帕-卡普罗尼(特别是机体涵道构型)是为高速飞行设计,但装机的活塞发动机却只有区区120马力。这也是意大利人在这次打开新世界大门时尤为吊诡之处。不过,意大利人通过这架慢悠悠的飞行木桶的事件,还是意外发现了新的科学道理,那就是:这样大尺寸直径的通体涵道和环形翼,在飞行中对迎角进气很是敏感,整机操控非常困难,稍有不慎就会摔机。预期中机体涵道所能带来的额外推力增量,现实中却是大尺寸的涵道阻力较大,所以这种螺旋桨式的涵道只适合低速飞行器。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 “萌萌机”飞行员的飞行犹如骑在木桶上,从这张正视图可以看出,萌萌机涵道的前后扩张、中间收缩的特点。

那么关于萌萌机的故事,就到此结束了吗?

艺术的国度 艺术的飞机

并没有!

萌萌机在一定程度上还继续演绎出了别样的传奇续篇。

在英明领袖意志的指导下,意大利空军战机需要新的速度。这也便吹响了意大利飞机向喷气时代进军的号角。而最终的坎皮尼-卡普罗尼实验机也的确成为了世界上第二种喷气飞机,为意大利在世界航空史留名。虽然坎皮尼-卡普罗尼看起来已是如战后兴起的喷气式战斗机那般现代“正常”,但其与萌萌机的联系除了是同一厂家外,其机身内部的构型上与萌萌机并没有太大差异。坎皮尼-卡普罗尼的机身同样是如萌萌机那般通透的涵道,来将喷气动力的压气机、发动机、座舱、燃烧室、尾椎等包裹其中,只不过相对而言,新技术下设计得更巧妙涵道的尺寸更小,并没有“环形翼”的概念。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 坎皮尼-卡普罗尼实验机在气动设计上颇为“现代”

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义     从坎皮尼-卡普罗尼实验机的剖视上来看,机身内部的涵道构型上就与萌萌机颇有联系了。

虽然这架坎皮尼-卡普罗尼半脚跨进了喷气时代,为墨索里尼争得“世界第二”的虚名,但与萌萌机一样,都是只能算勉强能飞而已。这是因为,坎皮尼-卡普罗尼实验机上由塞康多•坎皮尼主导的“喷气动力”是台富有意式创意的“活塞”喷气发动机。对于喷气发动机的工作而言,尤为重要的过程是通过压气机将空气吸入进气道送入飞机尾部的燃烧室燃烧产生推力,在标准的喷气发动机上是由结构简单重量轻便的燃气涡轮驱动压气机,但在这台“活塞”喷气发动机上是由传统的结构复杂重量很大的活塞发动机来完成的。也因此造成这台推力本来就不大的喷气发动机,却有着异于寻常的自重,这就使得其并没有发挥出喷气推进的优点,反而比传统的活塞式发动机 螺旋桨的推进效率还低。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 坎皮尼-卡普罗尼实验机拆掉机尾进行发动机的试车

所以在坎皮尼-卡普罗尼实验机上的“活塞”喷气动力,正如萌萌机斯蒂帕-卡普罗尼上的“螺旋桨式涵道”,虽颇有打开新世界大门、创造新纪录之感,但最终飞起来后的现实都是慢悠悠,这架坎皮尼-卡普罗尼的成绩只有375千米/时的最大飞行速度和4000米的高度。

 

一颗种子种下,会生发怎么样的希望

关于斯蒂帕-卡普罗尼萌萌机的故事,行文至此,或许就结束了吗?

并没有!毕竟斯蒂帕已经将一颗“螺旋桨式涵道”的种子在航空技术的土壤里种下,在一步步到来的未来里会生发出无限可能的希望和可能。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 虽然,下面的这些机型,虽与萌萌机谈不上有什么联系,但这些机型上的“螺旋桨式涵道”技术,说始于斯蒂帕-卡普罗尼萌萌机的滥觞,应该不为过。只不过螺旋桨式涵道/风扇涵道的应用场景不再是昔日的旨在高速飞行,而是航空技术领域持续热门的“垂直起降”,作为升力风扇之用。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 Focke-Wulf 

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 Ryan XV-5

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义          打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 Doak Vz-4Bell X-22上的倾转式风扇涵道动力,兼顾了垂直起降和巡航升力。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 今日的四代机F-35也有着萌萌机的短粗体型,被称为“肥电”,而从1932年意大利人的“萌萌机”到今天短距垂直起降型F-35B座舱后的升力风扇,就是人类百年航空中无限可能的一个缩影。


更小的蛋蛋机,是虚张声势的“恶魔”传说

斯蒂帕-卡普罗尼萌萌机的机体尺寸是:机长:5.88米,翼展:14.28米,机高:3米。但这并不是袖珍战机,因为二战后美国发展了XF-85“恶魔”,其机体尺寸是:机长:4.53 米,翼展:6.43 米,机高:3.35米,所以在“恶魔”的外形就像一颗长了翅膀飞上天的鸡蛋。

而“恶魔”的设计初衷是作为轰炸机的护航战斗机,只不过喷气式战斗机在发展的早期,是名副其实的“油老虎”,仅靠自身油料是无法对轰炸机的全程护航,所以便有了这架袖珍的“寄生机”XF-85“恶魔”。而所谓“寄生”就是用大型航空器搭载小型飞机,以弥补后者航程不足或者是用来执行特定任务,这种概念也被称为“子母机”。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 相较于萌萌机的飞行员骑在木桶上,“恶魔”的飞行员就是骑在一台喷气发动机上。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 袖珍机XF-85“恶魔”与载机平台、飞行员的对比。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义   打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 袖珍机XF-85“恶魔”与载机平台、飞行员的对比。

打开新世界的大门,“萌萌机”Stipa-Caproni设计上的终极奥义 XF-85,因为试验中发现在与载机的投放、返回过程中技术难度颇大并不能推广,以及后来的喷气发动机和空中加油技术的成熟,最终只是成为虚张声势的“恶魔”传说。

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