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蒸汽动力,从飞机到航母上的弹射器 蒸汽是一种古老的动力，蒸汽机是一种将蒸汽能量转换为机械功的往复式动力机械。世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家亚历山大港的希罗于公元1世纪独创的汽转球，虽然它只是一个玩具，依旧可视为蒸汽机的雏形。 18世纪，蒸汽机经瓦特等人改良后，开启了人类历史上最为轰轰烈烈的一次革命第一次工业革命。直到20世纪初，蒸汽机仍旧是世界上最重要的原动机，后来才渐渐让位于内燃机和汽轮机等。 最近，网上出现了一款名为“蒸汽战机”的电子嬉戏。这是一款回合制的飞机射击战斗嬉戏；嬉戏主角乘坐的是古老的蒸汽战机，玩家驾驶蒸汽飞机，运用枪械、导弹或者毒气来战胜敌人，完成一个关卡后即可进入下一关卡。每通过一关，玩家乘坐的蒸汽飞机的火控系统和性能都会升级，并有新的任务须要完成，嬉戏整体颇具挑战性。令人感到新颖的是，玩家在玩此款嬉戏的同时还能体验到早年蒸汽飞机时代的感觉，这一点在音乐和嬉戏界面上都得到了体现。 讲到这里，有航空爱好者可能会问，人类历史上真的出现过蒸汽飞机吗？蒸汽作为一种动力源，今日是否仍在飞机上有用武之地？下面，我们就来聊聊这个话题。 蒸汽动力飞机 众所周知，世界上第一架载人动力飞机是美国莱特兄弟（即威尔伯·莱特和奥维尔·莱特）于1903年最早独创的；然而，关于现代飞机是谁独创的问题，史学界始终存在着另外一些迥然不同的说法。譬如，在苏联史学家诺索夫主编的苏联简史一书中直截了当地写道：“俄国军事工程师亚费·莫扎伊斯基（18251890）制造了世界上第一架飞机。”值得一提的是，莫扎伊斯基不仅在年头上远早于莱特兄弟，而且他的飞机是一款以蒸汽作为动力的飞机。 据苏联另一位史学家涅奇金娜主编的苏联通史记载，俄国第一架飞机的制造者莫扎伊斯基是一位海军少将。1881年，他曾设计、制造了一款单翼的蒸汽飞机。这款飞机具有机身、机翼、起落架、动力装置、水平和垂直的操纵系统，即有现代飞机的全部主要部件，还获得过专利特许证。1882 年7月20日，在靠近圣彼得堡的红村，莫扎伊斯基实行了世界上第一架飞机的首次试飞。一位目击者写道：“莫扎伊斯基的蒸汽飞机靠轮子在地上滑行，然后像鸟儿那样腾空飞起” 苏联科学院主编的世界通史中这样介绍，莫扎伊斯基在18821885年试制的几款飞机上均运用蒸汽发动机。他的飞机问世之后，人们备受鼓舞，18861890年，法国人阿代尔也先后造了4架蒸汽动力飞机；1893年，英国工程师马克西姆造了一架大型蒸汽飞机；1896年，美国人兰利则造了一架以蒸汽机作为发动机的飞机模型 事实上，除了莫扎伊斯基、阿代尔、马克西姆和兰利的蒸汽飞机之外，有记载表明，早在莱特兄弟的飞机试飞胜利之前的1848年，英国人威廉·亨森就独创了一款名为Aerial steam carriage的蒸汽飞机。该飞机应当是航空史早期最接近胜利的蒸汽飞机尝试了。终归，威廉·亨森有一个大比例飞机模型被实际制造了出来，并且胜利离地很小很小一点距离。不过，这个设计终究不会胜利，因为作为一架重达1.4吨的飞机，它的蒸汽发动机功率只有可怜的37千瓦。要知道，当今世界知名通用飞机公司RV生产的RV7单人飞机，引擎功率为149千瓦，但总重量仅有约200千克。这种状况下，必需要有极其精彩的气动设计才能让飞机飞行；而當时的设计水平明显还达不到要求。亨森的飞机翼展46米，对机翼材料、结构的强度与刚度要求很高，那个时代的材料水平明显是无法实现的。 通过以上分析，人们至少可以确定一点，在莱特兄弟的飞机试飞胜利之前，俄、法、英等国的确出现过若干款以蒸汽为动力的飞机。 长期以来，俄国、法国和英国国内始终有一种声音，声称“本国最早制造了飞机，是飞机的独创国”。尽管这些说法并未被世界公认，但事出有因，上面种种说法也并非空穴来风。 和前面提到的蒸汽飞机相比，莱特兄弟的飞机出现得较晚，为什么却得到“世界上第一架飞机”的美誉呢？我们不妨来分析一下莱特兄弟飞机的发动机。 据新编剑桥世界近代史一书中记载，莱特兄弟在1903年制造出的飞机是一款以汽油内燃机为动力的飞机，功率为12匹马力。这种汽油内燃机既轻巧又紧凑，可通过链条带动木质螺旋桨产生强大的拉力。尽管如此，1903年12月17日，莱特兄弟俩带着自制的飞机来到北卡罗来纳州基蒂霍克旁边的沙丘，一起先两次试飞接连失败，第三次才牵强飞出了“滞空12秒，距离120英尺，高度3米”的成果在现代人眼里，这个成果太差强人意了，但在当时史无前例，世界上第一架内燃发动机飞机试飞胜利了！ 细心的读者可能会留意到，莱特兄弟在1903年试飞胜利的飞机，其动力来自于内燃机，而不是前面谈到的蒸汽机。 关于内燃机在飞机上的应用，最早可追溯到1896年。当时，一位叫捷尔费尔特的德国设计师首次把运用液体燃料的内燃发动机装在飞艇上，并大获胜利。之后，内燃机经过不断改良，为莱特兄弟制造飞机奠定了基础。 和蒸汽机相比，内燃机无论是在效率、爆发力，还是在重量、体积上，都有着肯定的优势，是一种相对先进的动力装置。莱特兄弟制造的飞机装备了一台8.8千瓦的内燃机，动力如此强劲，才飞出了“滞空12秒，距离120英尺，高度3米”的成果。 可以想象一下，莫扎伊斯基、阿代尔、马克西姆等人的飞机装着笨重的蒸汽机试飞，会是一种怎样的场景。 复原古希腊蒸汽飞机 2022年7月27日下午，一架2400年前的古希腊蒸汽飞机复制品在同济高校彰武路校区胜利完成了放射试飞。在蒸汽阀门开启瞬间，这架仿古代飞机驶离蒸汽动力端，龙跃而起，直冲向前；在空中美丽划过数米弧线后，平稳落地，向人们展示了古希腊文明的奇妙魅力。 史料记载，公元前400年左右，享有“世界机械工业之父”美誉的古希腊数学家和哲学家阿契塔斯（公元前400前350年）曾仿照飞鸟设计和制造出了一款以压缩蒸汽为动力的飞行器，能够飞行数一百零一米之遥。 最近，依据蒸汽飞机的原理，笔者的探讨团队对阿契塔斯的蒸汽动力飞机进行了复原。团队首先运用大型CAD软件对这款古希腊蒸汽飞机进行了三维建模。在该古希腊飞机的CAD模型中，主机翼采纳椭圆形态平直翼，选上下对称翼型。机身为流线型，内部中空，尾部设计有尾喷口。水平尾翼为后掠翼，后掠角为45°。该飞机的蒸汽动力端为一空心球，内部加装自来水，空心球下方有三个外撇的支撑杆。飞机尾喷口通过一蒸汽阀与蒸汽动力空心球连接，放射姿态角约为45°。 三维CAD建模工作完成后，团队将其转存为3D打印机通用的STL文件格式，以便通过3D打印机对整个古希腊蒸汽飞机系统进行3D打印。本次古希腊蒸汽飞机的3D打印模型总高为10厘米，长12厘米，宽8厘米，为一个1：10的塑料实体模型。打印材料为PLA聚乳酸塑料。 之后，团队运用前期复原的1900年莱特兄弟的风洞测试了该款古希腊飞机的气动性能。风洞试验所运用的最大风速约为8米/秒，数据由高精度风速仪获得；吹风的飞机为1：3缩比轻木板模型。风洞测试飞机升力、阻力特性。 有了蒸汽飞机的升力、阻力数据，假设出蒸汽动力端的蒸汽初始压强，再结合飞机的重心、重量等数据，便可预料和仿真古希腊飞机的运动特性。 紧接着，探讨团队对该飞机的内部结构、蒸汽放射端、外形、飞机与放射端接口等一一进行细心设计，并制作出了一架1：1的古希腊蒸汽飞机。 复原后的古希腊蒸汽飞机翼展为0.6米，机体由PE泡沫板切削胶结制成，总重量1.3千克，内部设有2.5升的蒸汽内腔；一对主机翼和一对后掠尾翼为实心泡沫。该飞机尾部通过一个蒸汽限制阀门与蒸汽动力端相连接。蒸汽动力端由一个直径约为0.4米的不锈钢蒸汽加热空心球和三个支架组成。空心球体积约为33升，壁厚1毫米，底部通过大功率电磁炉进行加热，可产生约2.5个大气压力供应给蒸汽飞机作为动力。 经过抛投，多轮“失败、改进、再失败、再改进”后，古希腊蒸汽飞机最终一飞冲天，放射胜利。 航母舰载机的蒸汽弹射 因为效率与重量等缘由，蒸汽作为飞机动力已无用武之地；但是，作为航母上舰载机的一种重要短距离起飞方式，蒸汽弹射仍是一项重要技术。 蒸汽弹射器是航母舰载机的起飞装置，可用于舰载机蒸汽弹射起飞，它运用水平甲板作为飞机跑道。起飞时一般通过核动力装置产生的热能得到蒸汽，之后，蒸汽驱动弹射装置带动飞机在数秒钟内达到起飞速度。蒸汽弹射器是一个极其困难的系统工程，须要克服诸多重大技术难题，以至于我国的“辽宁”号和正在建立中的新航母均未敢贸然运用。 蒸汽弹射有两种弹射方式：一种是前轮弹射，由美国于20世纪60年头试验胜利，弹射时由滑块干脆拉动飞机前轮起飞。这种弹射方式具有弹射时间短、飞机平安性好等优点，美国现役的大多数航母都采纳这种方式，现在也只有美国具备生产这种蒸汽弹射器的成熟技术。另一种是拖索式弹射，顾名思义，就是用钢质拖索牵引飞机加速起飞。这种弹射方式比较老旧，目前只有巴西的“圣保罗”号航母还在运用。 目前，我国正在建立中的新航母持续了此前“辽宁”号的滑跃起飞加拦阻着舰方式。这意味着，我国航母加装蒸汽弹射器的时机尚不成熟。 诚然，蒸汽弹射器的原理很简洁，构造上也并不困难；但在平淡无奇的背后，设计上是高难度和高度保密的，特殊在制造上对冶金、加工和装配等工业系统的整体水平要求极为严苛。譬如说，蒸汽弹射器的核心两条平行排列的开缝气缸，在承受将舰载机弹射出去的巨大蒸汽压力的同时，还要在气缸上有狭长的开缝。那么，开缝密封条的密封性就是一个技术难题。 另外，由于蒸汽弹射器的部件与其他产品的通用性不高，乃至气缸、活塞、蓄压罐，密封条、种类繁多的阀门等的制造材料都或多或少须要特地研制；加之目前除美国外，其他国家都没有批量生产蒸汽弹射器的需求；在这些因素的影响下，随之而来的問题就是弹射器的生产成本居高不下。 当前，我国的工业化水平不断提升，在高强度材料、高精度加工领域不断突破，蒸汽弹射器对于我国而言已不再是不行逾越的技术难题。应当说，国产蒸汽弹射器早已获得技术突破，并已趋于成熟。正在建立中的国产新航母之所以未能配备蒸汽弹射器，其实不在于技术，而是基于航母这一浩大的水面舰艇系统的技术成熟度和建立成本等方面的因素。 不过，令人欣慰的是，种种迹象表明，舰载机的蒸汽弹射器将在我国第三艘国产航母上列装。此消息是否属实，让我们拭目以待。 【责任编辑】赵 菲 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页