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  • 杀死一只强迫症——为什么要设计一架不对称飞机

    2016-11-29 03:29:00 来源: 科学松鼠会

    瘦驼

    松鼠名片

    果壳网主笔,不再瘦的科普作家,养细菌、养老鼠、养兔子、养狗、养孩子的蒙古兽医,奇怪生物鉴定爱好者,不拖延毋宁死的重型拖拉机。


    到2010年退休的时候,时年67岁的美国传奇航空设计师伯特·鲁坦(Burt Rutan),总共设计过近百种各式各样的飞行器。其中有五种被业界圣殿——美国国家航空航天博物馆收藏。


    不过在所有的鲁坦设计中,最“吸睛”的可能要数一款没有太多光环的飞机——“回旋镖”(Boomerang)。这款诞生于上世纪末的五座双引擎轻型通用飞机并没有创造多少世界第一,不过它的外形可能很人大吃一惊——“回旋镖”是不对称的!人们第一眼见到它的时候总会问:“这玩意儿能飞起来吗?”实际上,“回旋镖”不但会飞,而且飞得很好,它的经济型和安全性远高于传统构型的同类飞机。一架在天上愉快飞行的“回旋镖”可真是对付强迫症患者的“大杀器”。



    以下是美国《航空与航天》杂志(Air & Space)的执行主编丹尼·泰蒂奇(Diane Tedeschi)在数年前对鲁坦进行的专访。(Q:泰蒂奇/A:鲁坦)


    Q:你是从多大年纪开始制作飞机的?


    A:非常非常小的时候就开始了。我想可能是差不多6到8岁吧。


    Q:那时候都是用成品模型套件吗?


    A:我没怎么用过那些从商店里买到的成品,从小就对那些装起来用来炫耀的塑料模型不大感兴趣。我喜欢用不同的材料组装能飞的东西。实际上不太记得我曾做过这一类拼装模型。


    Q:那你是自己做零件了?


    A:对。我经常捡我哥哥作模型剩下的零件组装飞机什么的(伯特的哥哥迪克·鲁坦比他大5岁,是一名飞行家,1986年曾作为“旅行者号”的驾驶完成了创纪录的环球不间断不加油飞行。——译者注)


    Q:你第一次放单飞(飞行训练中首次独立驾驶飞机——译者注)是什么飞机?


    A:是一架Aerona Champ,1959...我不记得那架飞机有多老了,不过我放单飞是在1959年。


    Aerona Champ是一款非常经典的小飞机。


    Q:我猜你那时候才16岁吧?


    A:是16岁。


    Q:那你接受过什么正式的航空设计训练呢?


    A:我毕业于加州理工州立大学(California Polytechnic State University)(并非著名的加州理工——译者注),并获得了航空工程学的学位。


    Q:当你去设计一架新飞机时,我想知道你是先有一个基本的外形,还是先考虑飞机的性能和功能,然后在决定飞机的外形和视觉效果?或者两者同时进行?


    A:除极少数情况以外,或许从来没有,我们先有一个基本的性能指标--要多大的升力,多远的航程,多快的速度之类的。所以我要从计算能达到上述指标的物理参数开始,这就基本决定了飞机的尺寸:翼展大约要多大,翼面积大约要多大等等。然后我要看看飞机的功能:飞机用来干什么,要装载什么样的载荷,飞行什么样的空域,或者其他特殊的要求。它是不是需要失速自动修正,比如说。它是不是需要高的滚转率。然后我试着用尽量多的构型来满足这些需要,然后逐一验证,淘汰那些不佳的构型。一般来说最后会有几个构型满足需求,性能不相上下。它们中有些可能更贵一些,有些可能在某一方面有更好的适用性等等。当然,我还是喜欢实验,通过实验看看有没有提供这种适用性的其他方法。


    一个很好的例子就是轻型双引擎飞机,我很清楚轻型双引擎飞机的安全性很差。虽然它们有两台发动机,但它们的致命事故发生率要比轻型单引擎飞机高得多。我认为这是一个很重要的问题。所以有那么两段时间,我设计了一些轻型双引擎飞机,一次是大约五年之前(指上世纪末——译者注),另一次是1976-77年间。两次都是想完全解决轻型双引擎飞机的安全性问题。所以我试了一些非常特别的气动外形。一个是推进式的鸭式飞机,它具有动力丧失安全性(engine-out saftey)和失速自动限制(natural stall limitings),那是一架非常安全的飞机,还有“回旋镖”(Boomrang)也有动力丧失安全性。不过我想别的设计师可能会说:“哦,搞得太激进的东西太冒险。”所以他们倾向于精炼那些已经被接受的构型,而不是尝试新的。


    鲁坦口中1976-1977年的双引擎轻型飞机的尝试就是“鲁莽”(Defiant)。


    Q:你设计出了一些历史上最独特的设计,你是从什么地方获得灵感的?是从自然中吗?


    A:哦,这十年中我一直在说,有许多结构设计的灵感是师法自然的。不过我可不记得我这辈子去野外观鸟过。我只是凭直觉认为海鸥应该有一对长的翅膀,而隼应该有高的翼载。你知道,我可不记得我曾经仔细观察鸟类以便学会怎样让飞机飞起来。我觉得这是因为我之前已经有大量的成熟的设计,我不是生活在莱特兄弟之前。不过,告诉你,我对这一类东西还是很感兴趣的。最近我听到的最有意思的报告是一个来自蒙大拿的教授做的,他叫.....


    Q:·戴尔(Ken Dial)?


    A:对!就是戴尔(肯·戴尔提出过自己对鸟类飞行起源的见解——译者注)。


    Q:他很有名。


    A:有次他在一个航空的会上做了一个听起来有意思的报告,关于研究鸟如何控制飞行。


    美国国家航空航天博物馆收藏的五种鲁坦飞机分别是:1、首次实现载人单极近空间飞行,拿下Ansari X奖的“太空船一号”;2、畅销车库飞机VariEZ;3、轻型飞机Quickie;4、首次实现载人不着陆不加油环球航行的“旅行者号”;5、首次实现载人不着陆不加油环球航行的喷气飞机“维珍大西洋环球飞行者号”。


    Q:你最近没有设计任何鸭式飞机。你觉得鸭式飞机是不是已经发展到极限了,它还有发展的空间吗?


    A:等着看我的下一个作品吧。我今天工作了一天,今天是周日,昨天我也在工作。我得说最近几个月最忙的工作是设计一架新的鸭式飞机。一架非常优雅、高升限多用途飞机。它能做许多像U2(美国空军著名的高空侦察机——译者注)那样飞机的工作。通讯信号传输或者别的什么。我不准备给这架飞机做失速限制。避免失速往往是建造鸭式飞机的一个理由。拿Long-EZ来说吧,当然也包括Defiant——这种特性表现在自然失速限制上,也就是说在任何重心条件下全拉杆最大迎角时仍没有危险的失速特性。不过这架“新”飞机的失速特性不是我所关心的,它将会被两名专业驾驶员驾驶。我用鸭式布局的主要原因是它的特别的载荷,比如一个大天线。


    Q:可以冒昧的问一下,这架飞机是为谁设计的?


    A:实际上有很多客户。主要的投资是由我们“缩比复合材料公司”(Scaled Composites)完成的。其中一个客户是做通讯服务的“天使公司”(Angel Corporation),它要求的载荷是一面可以向数千用户提供互联网和移动通讯服务的大的转发天线。


    鲁坦前面所说的高升限鸭式布局飞机就是“海神”(Proteus)。图源:AIRLINERS.NET


    Q:计算机技术和相应的软件是不是改变了你的设计方式呢?或者是缩短了你设计的时间?这些东西从你开始使用改进了多少?


    A:嗯,回头来看的话,应该说,设计一架像Defiant或者Long-EZ这样的飞机,它的空气动力学计算、放样、载荷分析....这一切其实并不是一个很大的工作量。相比我们现在设计的飞机,那是相当少的。我想主要原因就是我们现在有了很好的计算机工具和很棒的软件,可以让我们在短时间内作大量的计算。不过我认为,这所有的一切并没有改变创造的过程:飞机的外形如何,如何通过革新和创造解决一个问题。计算机现在干不了这些工作,可预见的未来也不能。做这些工作的时候,我一般会改变一下我周围的环境--不要接近计算机,哪怕是参考书和过去的设计成品,甚至是计算器。我经常这样做,尤其是去年。我所要的是画板、彩色铅笔和一个尽量远离办公环境的地方。


    Long-EZ也是鲁坦设计的一款畅销轻型飞机。


    Q:也就是老派的做法。


    A:你知道,我是在故意不使用计算机。


    Q:很有意思,我相信很多人听到这个答案会吃惊的。现在贵公司有多少员工?


    A:145人,现在分别做着有13个不同的项目(“缩比复合材料公司”成立于1982年,现在约有员工200人,已经被诺斯罗普公司收购——译者注)。


    Q:现在公司的经营状况怎么样?我知道你是公司的创立者,曾经是公司的所有人。现在还是这样还是卖掉了?


    A:“缩比复合材料公司”(Scaled Composites)是由两个人组建的,我从来都不是它的独立所有者,我现在持有它的一些股票,最多的时候曾经持有过它的一半股权。


    Q:你每天的生活是什么样的?


    A:哦,你该跟着我转转,尤其是最近,可狂野了,真的。


    Q:我可以想象:很多时间独自设计飞机,有时候也....你现在要花很多时间指导和管理公司的设计工作吗?


    A:独自设计的时间的确是最享受的。当然那不是我唯一乐意去做的事,不过我的确非常喜欢独自设计。生意时间之外,晚上或者周末,我基本上都在独自设计。有时候我也会突然发现我把自己锁在屋子里搞设计,而且是在工作日,当然这是很少见的情况。和大多数人一样,我们朝七晚四,周一周五,一周40小时工作。时间一般是这样分配的:采购;做提议;见客户,同他们讨论以知道他们的需求;向他们展示我们过去的工作;然后看看我们是否能完成客户的要求。


    我一般会注意其他人怎么工作,当然只是从背后观察,不打扰他们的工作,然后提一些建议。


    我也参与飞机的制造,亲自下手。我一直坚持要我们所有的工程师都这样做。你没有亲手制作飞机的能力就没有权设计飞机,这是我们的一条准则。这在洛克希德和波音是不可能成为准则的,因为他们有强大的工会。不过我们认为这是极其重要的,是强制性的。


    Q:我想知道莫哈维(Mojave,位于加州东南部,是美国重要的航空试验基地——译者注)的美丽和沙漠空旷无垠的景色多大程度上激发了你的灵感或者影响了你的设计。


    A:嗯,沙漠是飞行的好地方,晴朗无云。唯一不利的地方就是有时候会有紊流和强风。不过要说景色激发灵感...我得说绝对绝对没有。你看,我现在在办公室里,窗帘紧闭,为了不在电脑屏幕上反光。我设计的建筑一层都几乎没有窗户,为的是保持室内空气宁静。我从不会去欣赏沙漠,真的。我不在沙漠中散步,那里有响尾蛇什么的。回家的五分钟路上碰见一条响尾蛇是很讨厌的。不过,我不是说...我也喜欢去爬山或者到海边看风景,不过我从来没有像那些城里人那样看出沙漠的美来。


    Q:现在莫哈维还是那样一个小镇吗?你们公司的建立有没有给莫哈维带来更多人气?


    A:我觉得我们公司对小镇并没有产生多大影响。当然,我们的员工比较多,但是只是150个人,全镇有2800人吧,嗯,差不多是这个数。而且我们多数人并不住在镇子里。莫哈维的人口跟它的海拔高度差不多。而且也没有像其他的什么地方一样增长的很快。


    Q:对,跟加州其他的地方差不多。前几天我看过“回旋镖”的照片,我认为那是一个非常漂亮的设计。最吸引我的就是它不对称的结构了。不对称设计在飞机上并不常见,似乎对称更被人接受,你怎么看?


    上世纪三十年代末,德国布鲁姆福斯公司设计生产过一款名为BV141的军用飞机,可以说是不对称飞机的鼻祖。


    A:是的。一架飞机稳定在两个轴上。一个轴垂直穿过重心,其上有一个垂直安定面和一个舵,保持飞机的偏航静稳定性。多数飞机都有不借助升力自主保持直线航行的能力。飞机的另一个轴水平穿过重心,提供俯仰稳定性。在这个轴上,机翼和尾翼联合保持稳定性--机翼提供向上的力,尾翼提供向下的力。通常人们所没有认识到的是,除非飞行员不操纵,这两个轴上的稳定方式是相似的。升力不发生偏斜,它就是稳定的。即使是一架不对称的飞机。多数人有这样的感觉:天哪,一架飞机必须是对称的。一般来说没有什么理由让一架飞机不对称。不过,我在设计“回旋镖”的时候,发现不对称结构有许多的优势。首先,它可以使两个引擎靠的更近,这样在一个引擎失去动力时的偏航和滚转力矩就比普通双发轻型机小的多。“回旋镖”单发飞行时的偏航和滚转力矩分别只有普通双发轻型机的一半和四分之一左右。这架飞机双发工作时有些不对称,但这对于一架稳定的飞机算不了什么。因为有机身和另一个发动机舱承受扭转力,我就可以将垂直尾翼和水平尾翼放的更靠后。这是多数人没有认识到的优势,这样尾翼面可以更小、负载更低,而且更有效。


    其实即便是一架单引擎飞机,发动机的扭转力矩和螺旋桨滑流扭转引起的偏转力矩一直让飞机处在一个打滚的趋势中。


    这给我提供了非常好的方向安定性,在动力丧失的情况下,飞行员甚至只用副翼不用蹬舵就能保持飞机方向。这是与普通双发轻型机惊人的不同。更后置的水平尾翼也给飞机提供了更宽的重心范围,这可以让我将乘客分散,乘客再也不用蜷缩在座椅上,膝盖顶着前座了。事实上,像我一样的大个子(我体重210磅)可以睡在飞机座舱后部而不用担心飞机的重心过于靠后。而且另一个发动机舱可以装载很多行李。这样我就打破了很多飞机安定性设计的限制。结果是,嘿,你可以随意装载载荷而不用担心超出飞机重心安定范围了。



    另外,我可以把机翼做的更长更细,因为整个翼载因为机身和发动机短舱均匀分散了,而且在机翼的中间,实际上什么也没有。综合了这么多优点,让我觉得我的确让设计得到了“进化”。这也表明,在人们都没有意识到的时候,不对称的飞机设计有显著的优点。听起来我像是在推销飞机似的,实际上“回旋镖”是非卖品。


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