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第18篇《沒有航空模型,就沒有航空發展》


所有現代航空器都是從航空模型進化來的。在人類飛上藍天的探索實踐中,毫無例外都是先靜態模型,后動力模型;先模型/樣機,后實物真機。沒有模型,就沒有航空創造;沒有模型,就沒有航空發展。

一、關于航空模型的歷史回眸

中國是發明和應用航空模型最早的國家。據司馬遷《史記》記載,公元前507-444年期間,魯班(即公輸班、公輸般、公輸子)制成能飛的“木鵲”,并用于觀察敵方陣地;關于這段史跡,《墨子》一書中有生動的描述:“公輸子削竹木以為鵲,成而飛之,三日不下。”意指借風高飛、久飛。南北朝時范曄(公元420-479年)著《后漢書·張衡傳》記載:張衡(公元78-139年)曾作木鳥,有翅,腹內有機關,可飛數里。這些都是了不起的航空模型,它們御風而飛的圖景想來是何等美妙。可惜只有文學性描述,而無技術意義上的記錄。

古代中國最杰出的航空代表作,當屬風箏(魯班的“木鵲”實為硬體風箏,約在公元前206-公元25年間轉用紙張,始稱'紙鳶')、竹蜻蜓(約在公元前500年)、孔明燈(約在公元200-230年間)和火箭(約在公元1000年),在學理上恰對應當今的四類航空器,分別是固定翼飛機、旋翼機、現代火箭和浮空器。以致于美國航空博物館里有醒目的大字寫道:“人類最早的飛行器是中國的風箏和火箭”。六年前,我和同事們編寫《新航空概論》時,發現這一有趣但絕非牽強附會的學理關聯,一致認為,這四件杰作堪稱中華文明奉獻給世界的另類“四大發明”



令人扼腕嘆惜的是,在歷史的狼煙里,自宋代之后,中國人活躍的創新思維與活動戛然而止,上述精巧絕倫的原創航空模型也被永遠定格在技藝層次,而未能提升到科學與理性的高度。同中華文明相對應,以古希臘阿基米德(公元前287~前212)、英國羅吉爾?培根(1220~1292)和文藝復興巨匠達?芬奇(1452~1519)等為代表的西方先哲,在航空領域建樹頗豐。遺憾的是他們的成果或被埋沒,或被貶斥,或被遺落(達?芬奇的成果19世紀后期才被發現),對于航空發展的實際影響也很有限。

16世紀末完成的文藝復興運動使歐洲沖出了中世紀的黑暗,帶來了從17世紀開始的歐洲科學革命和呼嘯而來的蒸汽時代、電力時代。在這樣的時代背景下,航空科學理論和實驗獲得突破性進步,不僅出現了像瑞士伯努利1700~1782和英國喬治?凱利(1773-1905)這樣的科學大師,而且出現了一大批科學實證的實踐家、探險家、發明家,在萊特兄弟之前的光榮代表是莫扎伊斯基(俄羅斯1825-1890)、奧托.李林達爾(德國1848-1896)、S.P.蘭利(美國1834-1906)和桑托.達蒙(巴西1873-1932);他們都是先制作航空模型、驗證其構思與原理,而后成為航空器的發明與試驗大家,做出杰出貢獻,甚至奉獻出生命。


航空科學巨匠(自左至右:阿基米德、達?芬奇、丹尼爾?伯努利、喬治?凱利)


航空先驅(自左至右:莫扎伊斯基、李林達爾、蘭利、杜蒙)



二、動力航空模型飛行成功

1796年,凱利在研究中國竹蜻蜓和科學計算的基礎上制作出一架模型直升機。1799年,他設計出幾乎具備現代飛機所有主要部件的飛行器草圖。困擾凱利的問題是沒有合適的動力。直到1848年,凱利已75歲高齡,仍無合適的發動機來證實他的理論和設計。1849年,他造了一架三翼滑翔機,載著一名10歲孩童,進行了人類歷史上第一次載人滑翔機系留牽引飛行。



俄羅斯發明家莫扎伊斯基(1825-1890)在俄羅斯有著崇高的地位,前蘇聯于1963年發行的紀念郵票中稱他為世界飛機發明第一人。而且航空界似乎都認可,他在1882年實現了世界首次有科學記載的動力模型飛機飛行。但事實上,這種認定是有偏差的。

莫扎伊斯基從1856年開始研制重于空氣的飛行器。他對航空的貢獻毋庸置疑。但被廣泛認可的1882年7月20日的以蒸汽機為動力的試驗機飛行,并未成功,飛機只在地面上跳躍幾次,并未飛起,而且失敗一直延續到后幾年。原因同凱利一樣,也是找不到好的動力。因無合適動力而導致失敗的悲劇,后來又在美國人蘭利的探索中重演。

但可以肯定的是, 莫扎伊斯基的確實現了動力模型首飛,而且比1882年更早。他設計制作了多種縮比的模型飛機,這些模型均具有現代飛機的基本部分,而動力由彈性件(如鐘表發條)提供,可使三個螺旋槳旋轉。這些模型不但能在地上滑跑,而且還能凌空翱翔。模型飛機的試驗證實了他在飛機幾何形態、升力特性、螺旋槳拉力和重量等方面所作的計算和推測,并據此開始設計和制造自己的飛機。

有據可查的是,1876年,莫扎伊斯基成功地進行了單翼飛行器模型的穩定性表演,確切的飛機尺寸未見記載,應該還是縮比模型機,但他的簡易動力模型飛機確已達到了很高的水準。




還有記載稱,1850年法國人彭諾德用橡筋作動力,設計制作了航模,由于橡筋的效能高,馬力與重量比大,模型很輕,飛行成功。這比莫扎伊斯基還要早26年。

我在這里引證莫扎伊斯基和彭諾德的業績,為的是說明動力模型在飛機發展進程中的作用(即使采用如橡筋、發條、彈簧等提供的簡易動力),這是必經的階段。而且,由于其獨有的作用和魅力,至今還在現代航模、如自由飛中占據重要地位。


三、從航模到真機、從無人到有人的進化

美國的塞繆爾·皮爾伯恩特·蘭利(1834-1906)也是一位偉大的航空先驅,他不僅在飛行理論研究方面多有建樹,而且在工程研制中成就卓著。1896年他制作了一個帶動力機械的飛機模型,在150米高度留空飛行近3個小時;這是歷史上第一次重于空氣的有動力飛行器實現穩定持續的飛行,意義重大。

此后,他得到美國政府資助,在成功的模型機基礎上,研制一種載人飛機“空中旅行者”。這架飛機采用前后串置的機翼布局,以內燃機為動力,采用彈射方式起飛。遺憾的是1903年10月7日和12月8日的兩次試飛均告失敗,飛機折尾沉水。雖然未能成功,但卻留下了珍貴的數據資料。他的探索實踐演繹了從航空模型到真實飛行器、從無人到有人飛行的進化規律。

“空中旅行者”試飛失敗后,輿論一片嘩然。“紐約時報”刊文予以嘲諷,稱“再有一千年,人也飛不起來。”還有人說,上帝要讓人飛,為什么不給他翅膀。

然而,僅僅九天后,即當年的12 月17 日,萊特兄弟的有人飛行器“飛行者1 號”成功飛上藍天,科學先驅們的偉大實踐回擊了嘲諷者的短視和淺薄。歷史不僅記住了有動力載人飛行的首創大家——萊特兄弟,也給了雖敗猶榮的蘭利以崇高的地位,著名的美國空軍蘭利實驗室、NASA蘭利研究中心都以蘭利的名字命名,美國的首艘航空母艦也被命名為蘭利號。

 蘭利1896 年試飛的動力模型飛機復制品

蘭利的“空中旅行者”試飛失敗


萊特兄弟“飛行者”1號試飛成功



時任總統塔夫特嘉獎萊特兄弟


四、航空模型正繼續發揮重要作用

在航空探索的早期, 航空模型具有強烈的科學實證性質,至今,也仍是研制各類飛行器的重要手段。

1905年國際航空運動聯合會(FAI)成立,在其領導下,航空模型逐漸成為一項有組織的全球性、群眾性競技運動,以致大家淡忘了航空模型本身的技術內涵和豐富的探索史跡。

上世紀末至今,由于無人機、特別是低成本/消費類無人機的橫空出世,使中低端無人機和中高檔航模的飛行性能接近;航空模型不僅進入尋常百姓的生活,而且回歸其科學試驗驗證的作用。

當今,航空模型的兩大使命是:

第一,航空模型是科學試驗的有效工具

飛機的研制一般分為論證、設計、工程研制、設計定型和試生產等階段。傳統程序里,在論證和設計階段需要“吹風模型”用于風洞試驗,設計和工程研制階段需要電子模型和實物樣機(或全尺寸,或艙段,或木質,或金屬,視需而定),這些都可以稱為模型。這些模型,都具有強烈的實證功能。隨著電子樣機和模擬/仿真手段的應用,對模型的需要在改變。但“吹風模型”和部分功能驗證用實物樣機,在現階段仍不可替代;而在原理與布局創新的新飛行器研發中,作為驗證用的高端動力模型更為必需。

航空模型用于科學試驗的最重要的戰場,是驗證新飛行原理、新氣動布局以及一切需要用飛行來驗證的新技術。在我們舉辦的國際無人飛行器創新大獎賽中出現的優秀作品,特別是創意賽作品,多數屬于航空模型,而非無人機。一些作品,使用人工遙控,機上也無載荷,只是為了驗證新原理或新布局是否可行。這正是中高檔航模和中低端無人機相重合的功能領域。


風洞試驗中的吹風模型



第二,航空模型是科學普及的最佳載體

航模運動在全世界有眾多的愛好者,包括自由飛行、線操縱圓周飛行、無線電遙控飛行、像真模型飛等各類項目的競技比賽開展得規范而熱烈,被認為是一項高雅運動。在中國也有很好的基礎,取得很大的成就。這些活動本身對于傳播航空知識、擴大航空的社會影響,具有重要作用。而運動背后的航模制作,不管是專業級的,還是面向青少年的業余級,技術含量都不低。

近幾年,中國航空學會在全國推進航空特色學校設立,其中一項內容,就是要求航模制作在該校科技實踐課程中占有重要地位。把制作航模當成普及航空的載體,寓教于樂,啟蒙興趣,加深認識,傳播知識,效果不錯。我們應該更多地關注和推動面向學校、面向青少年的航模活動。讓更多的青少年熱愛和投身航模活動,從這里起步,去領悟航空模型和航空器的豐富內涵,用自己的手和心去觸摸和感受飛行的魅力;這既是學習航空知識的生動課堂,更是獻身偉大航空事業最初的戰場。

在我們身邊,有一大批矢志航模、鐘情普及、關愛下一代的專家和老師,他們是航空事業默默耕耘的幕后英雄,我們應該向他們表達由衷的尊敬。


無人機創新大賽中的部分作品,實為驗證飛行原理的航空模型





南磨房小學校長楊毅(他和同事們在學校設“航空日”,傾力推進航模活動,成績卓著)

辛勤耕耘的符其衛老師(他把才華和精力全部獻給“孩子們的航模”)

群眾性的航模競賽活動


網絡游戲中的中國古代“木鳥”


 

 


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