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奇葩的“飞行薄饼”(上)

文/钟立 总点击:90 总字数:2600

 


在人类征服天空和大海的努力之中,总会有一些微光引领着科技的飞跃,同时也会产生许许多多的怪物。本文将讲述美国海军的一种“乌龟”状的验证机,即XF5U-1的发展史。这种飞机还有许多绰号,例如“飞行薄饼”、“飞行烙饼”、“飞碟”和“齐默尔曼网勺”,它有两个特征:当时世界上速度最快而又最慢的飞机;世界第一种垂直起降飞机。作为另类,XF5U-1的一生极为坎坷。

 

早期设计屡遭拒绝

 

“飞行薄饼”的设计师,查尔斯·齐默尔曼,1930年毕业于堪萨斯大学并获得电机工程学士学位。在上大学期间,他有一门课是介绍航空学的。这帮助他在美国国家航空咨询委员会(NACA)的兰利研究中心找到了一份工作。在他从事设计和制造“飞行薄饼”的工作之前,齐默尔曼依靠第一个解决了竖直旋转风洞的问题,然后又开发了一个自由飞行风洞,为自己赢得了声誉。

 

1933年,在美国国家航空咨询委员会举办的一次民用轻型飞机设计竞争中,他设计了一种圆盘状机翼的飞机,旨在实现高速飞行,而又能够像直升机一样悬停。这种飞机将利用翼尖安装的,旋转方向与翼尖涡流相反的螺旋桨来防止涡流的形成并提高气动效率。最初计划使用两台发动机来驱动各自的螺旋桨,但后来出于安全考虑,这两台发动机都用来驱动一根共同的传动轴。凭借其卓越的空气动力学性能和合理的工程技术方案,他的设计获得了冠军。然而,美国国家航空咨询委员会拒绝了进一步研究的想法,因为它实在“太超前了”。在比赛中,排在后面的一种设计最后发展成为广受欢迎的Ercoupe飞机。

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(查尔斯·H·齐默尔曼(Charles H.Zimmerman1908年至199655日),“飞行薄饼”的设计师,1930年毕业于堪萨斯大学并获得电气工程学士学位。)

 

虽然美国国家航空咨询委员会搁置了这种想法,但齐默尔曼没有放弃。在两位同事理查德·诺伊斯(Richard Noyes)和约翰·麦凯勒(JohnMcKeller)的帮助下,齐默尔曼利用业余时间研究这个概念。1934-1935年,制造了几架试验模型来试验飞行性能。按原定计划,这种小飞机将搭载3名俯卧的乘员,以采用流线型结构,后来改成了在飞行中直坐式的设计。这种设计被融入了齐默尔曼于1938年获得的美国专利。由于俯卧姿势很不舒服,后来放弃了这种设计。

 

齐默尔曼制造的一架飞行模型是只搭载一人,翼展7英尺,安装两台功率25马力的法国Cleone发动机的木制飞机。他和他的同事一直未能使两台发动机同步运行。因此,他在1936年转而设计、制造了一架翼展为20英寸的橡筋动力模型。这架模型的性能与预计的一样,美国国家航空咨询委员会的官员在观看了试验的纪录片之后,建议他试试向私人行业或军方推荐这个概念。齐默尔曼使联合飞机公司总裁尤金·E·威尔逊(Eugene E. Wilson)相信了这个概念是有价值的,并于1937年加入了钱斯·沃特飞机公司。

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(“飞行薄饼”的早期设计之一:搭载3名飞行员。这3名飞行员的驾机姿势很是独特:趴着。)

 

193810月,齐默尔曼试图向美国陆军推荐一种命名为V-170的近距联络与观测飞机。美国陆军拒绝后,他又于11月份尝试向美国民用航空局推荐他的V-171飞机设计方案(比V-162飞机更大)。他12月份再次尝试向美国陆军推荐V-172攻击轰炸型飞机,再次遭到拒绝。

 

来自海军的注资

 

齐默尔曼制造了一个电动的模型,V-162飞机,由两名操作员遥控操作。在机库内进行了试飞,由于这种受到限制的模型飞机飞得相当好,美国海军产生了兴趣并垫付了研究资金。V-162飞机是铰链传动的,因此其后半部是圆形机身,包括两个垂直方向舵。

 

1939年开始,制图、工程设计和空气动力学研究都是靠美国海军的资金开展的。V-173飞机原型机制造时,采用了标准的布质蒙皮来覆盖整个飞机,以尽量减轻重量,节省资金。原来的V-173飞机没有外侧水平尾翼,但模型试验表明,这种设计不理想,因而又研制了“飞尾”(全动尾翼)。两台大陆公司的A-80型发动机,功率80马力,带动直径16英尺6英寸的三叶螺旋桨,尽管原计划曾要求采用双叶螺旋桨。鹳式(stork-like)固定起落架使飞机的停机角达到了22度。

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(风洞试验中的V-173,照片拍摄于19411128日。)

 

V-173飞机和XF5U-1飞机基本的机翼面积和机翼平面形状是相同的。机翼面积为427平方英尺。实际上,机翼平面形状是由一个直径23英尺4英寸的圆形,通过翼尖部分自然向前平滑过渡到翼根弦得来的,因此1/4弦长处为直线。美国国家航空咨询委员会的0015号飞机是对称的,机翼既没有扭曲,也没有反角。

 

这两种飞机的两个主要差异在于重量和动力。V-173飞机在其大部分试飞中,重约3050磅,功率载荷为每马力19.1磅。如此高的功率载荷是这种飞机的重大缺点,也是试飞期间两次迫降的主要原因。XF5U-1飞机后来安装的是普拉特-惠特尼公司的R-2000-7发动机,每台功率为1350马力。为了达到更高的性能,曾经计划安装普惠公司功率更大的R-2000-2D)发动机,每台功率为1600马力。由于这种发动机,16802磅重的飞机(满载)的功率载荷因数将达到每马力5.2磅的水平。这种飞机是否能够垂直起飞,并以500英里/小时的速度飞行仍然令人怀疑。因此,还讨论过用现代涡轮发动机为XF5U-1飞机提供动力。据认为,这种飞机能够用一台发动机轻松地飞行,而且能够验证其悬停的固有能力,或以其他方式作为一种垂直起飞/短距降落飞机。

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V-173号机的四视图)

 

由于重量轻,尽管功率小,V-173飞机在无风天气时,能够在跑道上滑行200英尺就升空。在风速为25节时,它可以不经滑行,直接升空。在试飞中,它的巡航速度大约为75英里/小时,最大速度为138英里/小时。因为它只是一架实验性飞机,所以只携带了20加仑的燃油,用于短距飞行试验。

 

V-173是一种精心设计的木结构飞机,制造的成本很贵,但重量很轻,能力很强,而且无故障。转动装置、轴系和螺旋桨的确都是高度实验性的,我们不是要在试飞前就使它们达到完全令人满意的水平”。齐默尔曼说。(未完待续)

(钟立   文)

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