蒸汽動力 從飛機到航母上的彈射器

沈玉清++++沈海軍

蒸汽是一種古老的動力，蒸汽機是一種將蒸汽能量轉換為機械功的往復式動力機械。世界上第一臺蒸汽機是由古希臘數(shù)學家亞歷山大港的希羅于公元1世紀發(fā)明的汽轉球，雖然它只是一個玩具，依然可視為蒸汽機的雛形。

18世紀，蒸汽機經瓦特等人改良后，開啟了人類歷史上最為轟轟烈烈的一次革命——第一次工業(yè)革命。直到20世紀初，蒸汽機仍然是世界上最重要的原動機，后來才逐漸讓位于內燃機和汽輪機等。

最近，網上出現(xiàn)了一款名為“蒸汽戰(zhàn)機”的電子游戲。這是一款回合制的飛機射擊戰(zhàn)斗游戲；游戲主角乘坐的是古老的蒸汽戰(zhàn)機，玩家駕駛蒸汽飛機，使用槍械、導彈或者毒氣來打敗敵人，完成一個關卡后即可進入下一關卡。每通過一關，玩家乘坐的蒸汽飛機的火控系統(tǒng)和性能都會升級，并有新的任務需要完成，游戲整體頗具挑戰(zhàn)性。令人感到新奇的是，玩家在玩此款游戲的同時還能體驗到早年蒸汽飛機時代的感覺，這一點在音樂和游戲界面上都得到了體現(xiàn)。

講到這里，有航空愛好者可能會問，人類歷史上真的出現(xiàn)過蒸汽飛機嗎？蒸汽作為一種動力源，今天是否仍在飛機上有用武之地？下面，我們就來聊聊這個話題。

蒸汽動力飛機

眾所周知，世界上第一架載人動力飛機是美國萊特兄弟（即威爾伯·萊特和奧維爾·萊特）于1903年最早發(fā)明的；然而，關于現(xiàn)代飛機是誰發(fā)明的問題，史學界一直存在著另外一些截然不同的說法。譬如，在蘇聯(lián)史學家諾索夫主編的《蘇聯(lián)簡史》一書中直截了當?shù)貙懙溃骸岸韲娛鹿こ處焷嗁M·莫扎伊斯基（1825～1890）制造了世界上第一架飛機?！敝档靡惶岬氖?，莫扎伊斯基不僅在年代上遠早于萊特兄弟，而且他的飛機是一款以蒸汽作為動力的飛機。

據(jù)蘇聯(lián)另一位史學家涅奇金娜主編的《蘇聯(lián)通史》記載，俄國第一架飛機的制造者莫扎伊斯基是一位海軍少將。1881年，他曾設計、制造了一款單翼的蒸汽飛機。這款飛機具有機身、機翼、起落架、動力裝置、水平和垂直的操縱系統(tǒng)，即有現(xiàn)代飛機的所有主要部件，還獲得過專利特許證。1882 年7月20日，在靠近圣彼得堡的紅村，莫扎伊斯基舉行了世界上第一架飛機的首次試飛。一位目擊者寫道：“莫扎伊斯基的蒸汽飛機靠輪子在地上滑行，然后像鳥兒那樣騰空飛起……”

蘇聯(lián)科學院主編的《世界通史》中這樣介紹，莫扎伊斯基在1882～1885年試制的幾款飛機上均使用蒸汽發(fā)動機。他的飛機問世之后，人們備受鼓舞，1886～1890年，法國人阿代爾也先后造了4架蒸汽動力飛機；1893年，英國工程師馬克西姆造了一架大型蒸汽飛機；1896年，美國人蘭利則造了一架以蒸汽機作為發(fā)動機的飛機模型……

事實上，除了莫扎伊斯基、阿代爾、馬克西姆和蘭利的蒸汽飛機之外，有記載表明，早在萊特兄弟的飛機試飛成功之前的1848年，英國人威廉·亨森就發(fā)明了一款名為Aerial steam carriage的蒸汽飛機。該飛機應該是航空史早期最接近成功的蒸汽飛機嘗試了。畢竟，威廉·亨森有一個大比例飛機模型被實際制造了出來，并且成功離地很小很小一點距離。不過，這個設計終究不會成功，因為作為一架重達1.4噸的飛機，它的蒸汽發(fā)動機功率只有可憐的37千瓦。要知道，當今世界知名通用飛機公司RV生產的RV7單人飛機，引擎功率為149千瓦，但總重量僅有約200千克。這種情況下，必須要有極其出色的氣動設計才能讓飛機飛行；而當時的設計水平顯然還達不到要求。亨森的飛機翼展46米，對機翼材料、結構的強度與剛度要求很高，那個時代的材料水平顯然是無法實現(xiàn)的。

通過以上分析，人們至少可以確定一點，在萊特兄弟的飛機試飛成功之前，俄、法、英等國的確出現(xiàn)過若干款以蒸汽為動力的飛機。

長期以來，俄國、法國和英國國內一直有一種聲音，聲稱“本國最早制造了飛機，是飛機的發(fā)明國”。盡管這些說法并未被世界公認，但事出有因，上面種種說法也并非空穴來風。

和前面提到的蒸汽飛機相比，萊特兄弟的飛機出現(xiàn)得較晚，為什么卻得到“世界上第一架飛機”的美譽呢？我們不妨來分析一下萊特兄弟飛機的發(fā)動機。

據(jù)《新編劍橋世界近代史》一書中記載，萊特兄弟在1903年制造出的飛機是一款以汽油內燃機為動力的飛機，功率為12匹馬力。這種汽油內燃機既輕便又緊湊，可通過鏈條帶動木質螺旋槳產生強大的拉力。盡管如此，1903年12月17日，萊特兄弟倆帶著自制的飛機來到北卡羅來納州基蒂霍克附近的沙丘，一開始兩次試飛接連失敗，第三次才勉強飛出了“滯空12秒，距離120英尺，高度3米”的成績……在現(xiàn)代人眼里，這個成績太差強人意了，但在當時史無前例，世界上第一架內燃發(fā)動機飛機試飛成功了！

細心的讀者可能會注意到，萊特兄弟在1903年試飛成功的飛機，其動力來自于內燃機，而不是前面談到的蒸汽機。

關于內燃機在飛機上的應用，最早可追溯到1896年。當時，一位叫捷爾費爾特的德國設計師首次把使用液體燃料的內燃發(fā)動機裝在飛艇上，并大獲成功。之后，內燃機經過不斷改良，為萊特兄弟制造飛機奠定了基礎。

和蒸汽機相比，內燃機無論是在效率、爆發(fā)力，還是在重量、體積上，都有著絕對的優(yōu)勢，是一種相對先進的動力裝置。萊特兄弟制造的飛機裝備了一臺8.8千瓦的內燃機，動力如此強勁，才飛出了“滯空12秒，距離120英尺，高度3米”的成績。

可以想象一下，莫扎伊斯基、阿代爾、馬克西姆等人的飛機裝著笨重的蒸汽機試飛，會是一種怎樣的場景。

復原古希臘蒸汽飛機

2017年7月27日下午，一架2400年前的古希臘蒸汽飛機復制品在同濟大學彰武路校區(qū)成功完成了發(fā)射試飛。在蒸汽閥門開啟瞬間，這架仿古代飛機駛離蒸汽動力端，龍躍而起，直沖向前；在空中優(yōu)美劃過數(shù)米弧線后，平穩(wěn)落地，向人們展示了古希臘文明的神奇魅力。

史料記載，公元前400年左右，享有“世界機械工業(yè)之父”美譽的古希臘數(shù)學家和哲學家阿契塔斯（公元前400～前350年）曾仿照飛鳥設計和制造出了一款以壓縮蒸汽為動力的飛行器，能夠飛行數(shù)百米之遙。

最近，根據(jù)蒸汽飛機的原理，筆者的研究團隊對阿契塔斯的蒸汽動力飛機進行了復原。團隊首先使用大型CAD軟件對這款古希臘蒸汽飛機進行了三維建模。在該古希臘飛機的CAD模型中，主機翼采用橢圓形狀平直翼，選上下對稱翼型。機身為流線型，內部中空，尾部設計有尾噴口。水平尾翼為后掠翼，后掠角為45°。該飛機的蒸汽動力端為一空心球，內部加裝自來水，空心球下方有三個外撇的支撐桿。飛機尾噴口通過一蒸汽閥與蒸汽動力空心球銜接，發(fā)射姿態(tài)角約為45°。

三維CAD建模工作完成后，團隊將其轉存為3D打印機通用的STL文件格式，以便通過3D打印機對整個古希臘蒸汽飛機系統(tǒng)進行3D打印。本次古希臘蒸汽飛機的3D打印模型總高為10厘米，長12厘米，寬8厘米，為一個1：10的塑料實體模型。打印材料為PLA聚乳酸塑料。

之后，團隊使用前期復原的1900年萊特兄弟的風洞測試了該款古希臘飛機的氣動性能。風洞試驗所使用的最大風速約為8米/秒，數(shù)據(jù)由高精度風速儀獲得；吹風的飛機為1：3縮比輕木板模型。風洞測試飛機升力、阻力特性。

有了蒸汽飛機的升力、阻力數(shù)據(jù)，假設出蒸汽動力端的蒸汽初始壓強，再結合飛機的重心、重量等數(shù)據(jù)，便可預測和仿真古希臘飛機的運動特性。

緊接著，研究團隊對該飛機的內部結構、蒸汽發(fā)射端、外形、飛機與發(fā)射端接口等一一進行精心設計，并制作出了一架1：1的古希臘蒸汽飛機。

復原后的古希臘蒸汽飛機翼展為0.6米，機體由PE泡沫板切削膠結制成，總重量1.3千克，內部設有2.5升的蒸汽內腔；一對主機翼和一對后掠尾翼為實心泡沫。該飛機尾部通過一個蒸汽控制閥門與蒸汽動力端相連接。蒸汽動力端由一個直徑約為0.4米的不銹鋼蒸汽加熱空心球和三個支架組成。空心球體積約為33升，壁厚1毫米，底部通過大功率電磁爐進行加熱，可產生約2.5個大氣壓力提供給蒸汽飛機作為動力。

經過拋投，多輪“失敗、改進、再失敗、再改進”后，古希臘蒸汽飛機終于一飛沖天，發(fā)射成功。

航母艦載機的蒸汽彈射

因為效率與重量等原因，蒸汽作為飛機動力已無用武之地；但是，作為航母上艦載機的一種重要短距離起飛方式，蒸汽彈射仍是一項重要技術。

蒸汽彈射器是航母艦載機的起飛裝置，可用于艦載機蒸汽彈射起飛，它使用水平甲板作為飛機跑道。起飛時一般通過核動力裝置產生的熱能得到蒸汽，之后，蒸汽驅動彈射裝置帶動飛機在數(shù)秒鐘內達到起飛速度。蒸汽彈射器是一個極其復雜的系統(tǒng)工程，需要克服諸多重大技術難題，以至于我國的“遼寧”號和正在建造中的新航母均未敢貿然使用。

蒸汽彈射有兩種彈射方式：一種是前輪彈射，由美國于20世紀60年代試驗成功，彈射時由滑塊直接拉動飛機前輪起飛。這種彈射方式具有彈射時間短、飛機安全性好等優(yōu)點，美國現(xiàn)役的大多數(shù)航母都采用這種方式，現(xiàn)在也只有美國具備生產這種蒸汽彈射器的成熟技術。另一種是拖索式彈射，顧名思義，就是用鋼質拖索牽引飛機加速起飛。這種彈射方式比較老舊，目前只有巴西的“圣保羅”號航母還在使用。

目前，我國正在建造中的新航母延續(xù)了此前“遼寧”號的滑躍起飛加攔阻著艦方式。這意味著，我國航母加裝蒸汽彈射器的時機尚不成熟。

誠然，蒸汽彈射器的原理很簡單，構造上也并不復雜；但在平淡無奇的背后，設計上是高難度和高度保密的，特別在制造上對冶金、加工和裝配等工業(yè)系統(tǒng)的整體水平要求極為嚴苛。譬如說，蒸汽彈射器的核心——兩條平行排列的開縫氣缸，在承受將艦載機彈射出去的巨大蒸汽壓力的同時，還要在氣缸上有狹長的開縫。那么，開縫密封條的密封性就是一個技術難題。

另外，由于蒸汽彈射器的部件與其他產品的通用性不高，乃至氣缸、活塞、蓄壓罐，密封條、種類繁多的閥門等的制造材料都或多或少需要專門研制；加之目前除美國外，其他國家都沒有批量生產蒸汽彈射器的需求；在這些因素的影響下，隨之而來的問題就是彈射器的生產成本居高不下。

當前，我國的工業(yè)化水平不斷提升，在高強度材料、高精度加工領域不斷突破，蒸汽彈射器對于我國而言已不再是不可逾越的技術難題。應該說，國產蒸汽彈射器早已獲得技術突破，并已趨于成熟。正在建造中的國產新航母之所以未能配備蒸汽彈射器，其實不在于技術，而是基于航母這一龐大的水面艦艇系統(tǒng)的技術成熟度和建造成本等方面的因素。

不過，令人欣慰的是，種種跡象表明，艦載機的蒸汽彈射器將在我國第三艘國產航母上列裝。此消息是否屬實，讓我們拭目以待。

【責任編輯】趙 菲