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单人飞行器——说飞就飞不是梦(上)

(2019-06-22 08:50:20)
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飞行器

航空史

飞行

分类: 名机奇翼
单人飞行器——说飞就飞不是梦(上)

    这两年,一句“你咋不上天呢”刷遍了网络,调侃的背后倒也折射出咱们凡人想要平步青云的难度。虽说如今搭个飞机不算个事了,但也只能是从机场到机场被安排得明明白白的。真要在天地间来去自如,似乎只有传说中骑扫帚的巫师、驾筋斗云的大圣、头戴竹蜻蜓的哆啦A梦,或是漫威宇宙里钢铁侠和猎鹰那样的超级英雄才办得到。其实,一个人说飞就飞已经不仅仅是虚构的魔法和科幻了,你和梦想之间也许就差那么一点创意和勇气。


头上脚下,旋动起来
    在人类历史上,冒出过形形色色的飞行装置,最终成为主流的是重于空气的航空器。其中,适合单人驾驶的有滑翔机、滑翔伞、固定翼飞机、直升机和旋翼机等,但对使用场地和操作技能都有一定的门槛,就不能像骑自行车或开摩托车那样简单方便、出门就走吗?这要求单人飞行器必须体积小重量轻,容易操作,稳定可靠,而且能在有限的空间中直接起降。显然,首先会被想到的就是将能够直上直下的直升机尽可能小型化。
    早在第二次世界大战期间,有位奥地利工程师就在捣鼓便携式直升机,让操作者直接背上一对直径6米的共轴反转桨叶和小型动力系统(电影《G型神探》中从帽子里伸出的飞行旋翼说不定就脱胎于此),后来又增加了支架和座位来减轻人体负担。战后不久,美国人对这招也很感兴趣。霍皮直升机公司的HX-1同样采用背负式的共轴双旋翼组件,但木质旋翼旋转起来让站立的飞行员很难保持平衡,于是也改为坐姿操作。类似的设计还有本迪克斯J型和洛特隆XM-1等试验性的单座直升机。


单人飞行器——说飞就飞不是梦(上)
二战时期的背负式直升机


    采用共轴双旋翼的好处是无需尾桨来抵消旋转力矩,缩小了机身“三围”,另一个要减肥的就是发动机了。1947年麦克唐纳公司就设计了在旋翼翼尖上安装小型冲压喷气发动机的XH-20,1952年美国直升机公司试飞的XH-26则在翼尖上改用脉冲喷气发动机,机体无需容纳发动机就能进一步瘦身。这种“喷气吉普”计划提供给美国陆军和空军,除了用于侦察巡逻,还可以折叠打包后空投到战场上,让被困人员就地装配再驾驶它飞出重围。
    美国海军也没闲着,跟凯利特旋翼机公司合作研制以翼尖过氧化氢火箭发动机为动力的KH-15单座直升机,结合陀螺稳定操控装置,可让操作者松杆飞行达4分钟。还有一款是旋翼装备公司的RH-1“针轮”背包式直升机,可以作为单人逃生工具。至于海军陆战队就曾在1957年少量装备过希勒飞机公司的ROE-1超轻型直升机,同样便于快速拆卸和组装,空投给落入敌后的飞行员自行脱困。


单人飞行器——说飞就飞不是梦(上)
ROE-1超轻型直升机可用于敌后逃生


    这些单人飞行器看上去就是低配版的直升机,省去了机身外壳,“裸奔”的飞行员头顶上可就是高速旋转的“刀片”。也有反其道而行之,把桨叶设在脚底下的。远在第一次世界大战当中,奥匈帝国研制过一种欲取代侦察气球的PKZ直升机,把观测员安置在最上方的圆筒里,下方是一对共轴反转桨叶和发动机,底盘上还装有多个充气气囊作缓冲。虽然有后来移居美国的航空大拿冯·卡门相助,但动力和稳定性等方面的先天不足还是让这位“侦察兵”夭折了。
    到了冷战初期,美国陆军也开始寻求一种单兵飞行载具充当战场侦察兵。德·拉科纳直升机公司为此设计了HZ-1垂直飞行器,在气囊支撑的十字底座上安装发动机和旋翼,顶端是人员操作平台,结构与PKZ如出一辙,倒是小巧了许多。利用当时新开发的姿态控制技术,驾驶者只需倾斜身体调整重心就可以改变飞行方向,据称普通士兵经过20分钟训练就能开飞。可惜只是看上去很美,这种“空中自行车”存在气动缺陷,操作起来并不好使,过低的旋翼还容易打到地面物体,站在上面的人员如何安全逃生也很让人挠头。


单人飞行器——说飞就飞不是梦(上)
HZ-1单兵飞行器带来的是危险的空中裸奔


    在美国陆军主导的垂直/短距起降飞行器项目中,希勒公司的VZ-1同样采用姿态控制技术,但就将旋翼叶片装入桶形机身内。克莱斯勒的VZ-6是让飞行员坐在前后两个水平大风扇之间,而柯蒂斯-莱特的VZ-7更像一辆小车,在乘员座位后面安装了4具螺旋桨,但这些“飞行吉普”都因性能不佳半途而废了。前苏联时期,卡莫夫设计局为特种作战研制了卡-56超轻型双旋翼直升机,拆卸后可以装入鱼雷大小的容器里,便于用潜艇秘密“快递”。
    不仅是军方和大企业,民间航空牛人们也乐此不疲。比如美国亚当斯-威尔逊公司在1958年推出了简易型的“爱好者直升机”,采用25千瓦的摩托车发动机为动力,只需900美元就可买回家自己组装。由俄裔工程师创办的本森飞机公司以研制可供DIY的旋翼滑翔机、动力旋翼机和小型直升机见长,也曾经试制过可垂直起降的“飞行吉普”。其中箱型机身的B-10是在飞行员前后设置两具旋翼,而B-12更是夸张地在一副水平框架上安装了10具螺旋桨,堪称现代“魔法飞毯”。
    尽管这些早期的尝试大多以失败告终,但在单人飞行器上,相对成熟的旋翼技术仍是最可行的突破口。美国一家小型航空制造公司在1994年试飞了PAM 100B“个人飞升机”,在固定式起落架上用两台活塞发动机(后改为一台涡轮发动机)驱动乘员平台下方的一对共轴旋翼,还有两具小螺旋桨用于方向调整。日本的Gen H-4号称“世界上最小的单人直升机”,空重仅有70千克,采用背负式结构,由4台自制的小型汽油发动机为飞行员头顶上一对直径4米的共轴旋翼提供动力,从2000年起进行试飞和展示。这类机型都是以向飞行爱好者提供组装套件为目的而设计的,单价约为5-8万美元。


单人飞行器——说飞就飞不是梦(上)
简洁小巧的GEN H-4双旋翼单人直升机


背包上身,一飞冲天
    对个人飞行器来说,旋翼虽然好用,尺寸偏大却是硬伤。能不能更精简呢?在1965年上映的电影《007之霹雳弹》中,王牌特工詹姆斯·邦德亮出了又一种神奇道具——飞行背包,往身上一套就腾空而起。这应该是广大观众第一次见识到真有这样的黑科技存在。这种穿戴式的飞行装备通过喷出高速气流,利用反作用力将人推向空中,早在一百年前就有人提出过设计概念。最初的实践者是把充满高压氮气的罐子扎在腰上,当成增强跳跃能力的助推器,后来宇航员进行太空行走时用到的喷气背包也是靠氮气推进的。
    美国的贝尔航空系统公司在1960年代初研制出“火箭腰带”,实际就是一种带喷管的飞行背包,采用过氧化氢为燃料,通过小型火箭发动机可产生127千牛的推力,总重量57千克。不过能携带的燃料毕竟有限,滞空时间只有21秒。直到30年后,经过改进的RB 2000型火箭腰带也只能在最多30米的高度晃悠半分钟。目前,能够进入市场的火箭推进背包寥寥无几。其中墨西哥航天科技公司是世界上第一家可以定制全套火箭腰带的企业,提供不同规格的发动机、燃料箱、控制系统和飞行服等进行配套组装。美国喷气背包国际公司的H202系列飞行背包最高能升至76米,但只能在空中维持33秒。另一家雷电航空系统公司生产的TP-R2G2型飞行背包在采用过氧化氢加喷射燃油的双燃料模式后,留空时间增加到75秒。


单人飞行器——说飞就飞不是梦(上)
贝尔火箭腰带在电影中成了邦德的秘密武器


单人飞行器——说飞就飞不是梦(上)
RB 2000型火箭腰带


    火箭推进式的飞行背包虽说结构简单,体积较小,但燃料消耗过快的固有缺点使其难有作为,只能偶尔到影视剧里或仪式典礼上充当“表演嘉宾”炫炫技了。那么背上飞机发动机行不行呢?贝尔公司在1965年就着手开发“喷气腰带”,选择了威廉姆斯国际公司的WR19小型涡轮风扇发动机(主要用于巡航导弹),使用普通航空燃油,设计飞行时间可达25分钟。这一指标虽然碾压火箭腰带,然而喷气组件当时过于复杂笨重,安全系数也不高,真是鱼和熊掌不可兼得。
    威廉姆斯公司自己也利用WR19发动机研制了X-Jet单人垂直起降飞行器,将发动机装在带起落架的桶型机身内,人员站立操纵,通过调整动力输出改变运动状态。这种“飞行讲坛”最大时速接近100千米,可悬空45分钟,可惜实用性跟直升机比还是逊色不少,最终也没能进入军方的法眼。
    拔地而起有难度,那就来个从天而降吧。瑞士空军退役飞行员伊夫·罗西就设计了一套单人动力飞翼背包,将翼展2.4米的碳纤维复合材料机翼与4台以煤油为燃料的“喷气猫”小型涡喷发动机组合起来,并配上特制的飞行防护服。这种飞翼无法自主起飞,需要由其它飞行器带到空中投放,自由飞行时最高时速可达300千米,燃料耗尽后靠打开降落伞着陆。经过反复测试,罗西改进了飞翼的稳定性和操控性,在2008年首次公开展示。后来他还成功飞越了阿尔卑斯山、英吉利海峡和科罗拉多大峡谷等地,被誉为“喷气侠”(见题图)。


单人飞行器——说飞就飞不是梦(上)
等等!待续……



本文原载于《航空知识》2018年12月号

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