為什么要設(shè)計(jì)一架不對(duì)稱飛機(jī)
為什么要設(shè)計(jì)一架不對(duì)稱飛機(jī)
到2010年退休的時(shí)候，時(shí)年67歲的美國(guó)傳奇航空設(shè)計(jì)師伯特·魯坦(Burt Rutan)，總共設(shè)計(jì)過(guò)近百種各式各樣的飛行器。其中有五種被業(yè)界圣殿——美國(guó)國(guó)家航空航天博物館收藏。
不過(guò)在所有的魯坦設(shè)計(jì)中，最“吸睛”的可能要數(shù)一款沒(méi)有太多光環(huán)的飛機(jī)——“回旋鏢”(Boomerang)。這款誕生于上世紀(jì)末的五座雙引擎輕型通用飛機(jī)并沒(méi)有創(chuàng)造多少世界第一，不過(guò)它的外形可能很人大吃一驚——“回旋鏢”是不對(duì)稱的!人們第一眼見(jiàn)到它的時(shí)候總會(huì)問(wèn)：“這玩意兒能飛起來(lái)嗎?”實(shí)際上，“回旋鏢”不但會(huì)飛，而且飛得很好，它的經(jīng)濟(jì)型和安全性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)構(gòu)型的同類飛機(jī)。一架在天上愉快飛行的“回旋鏢”可真是對(duì)付強(qiáng)迫癥患者的“大殺器”。
以下是美國(guó)《航空與航天》雜志(Air & Space)的執(zhí)行主編丹尼·泰蒂奇(Diane Tedeschi)在數(shù)年前對(duì)魯坦進(jìn)行的專訪。(Q：泰蒂奇/A：魯坦)
Q：你是從多大年紀(jì)開(kāi)始制作飛機(jī)的?
A：非常非常小的時(shí)候就開(kāi)始了。我想可能是差不多6到8歲吧。
Q：那時(shí)候都是用成品模型套件嗎?
A：我沒(méi)怎么用過(guò)那些從商店里買到的成品，從小就對(duì)那些裝起來(lái)用來(lái)炫耀的塑料模型不大感興趣。我喜歡用不同的材料組裝能飛的東西。實(shí)際上不太記得我曾做過(guò)這一類拼裝模型。
Q：那你是自己做零件了?
A：對(duì)。我經(jīng)常撿我哥哥作模型剩下的零件組裝飛機(jī)什么的(伯特的哥哥迪克·魯坦比他大5歲，是一名飛行家，1986年曾作為“旅行者號(hào)”的駕駛完成了創(chuàng)紀(jì)錄的環(huán)球不間斷不加油飛行。——譯者注)。
Q：你第一次放單飛(飛行訓(xùn)練中首次獨(dú)立駕駛飛機(jī)——譯者注)是什么飛機(jī)?
A：是一架Aerona Champ，1959…我不記得那架飛機(jī)有多老了，不過(guò)我放單飛是在1959年。
Q：我猜你那時(shí)候才16歲吧?
A：是16歲。
Q：那你接受過(guò)什么正式的航空設(shè)計(jì)訓(xùn)練呢?
A我畢業(yè)于加州理工州立大學(xué)(California Polytechnic State University)(并非著名的加州理工——譯者注)，并獲得了航空工程學(xué)的學(xué)位。
Q：當(dāng)你去設(shè)計(jì)一架新飛機(jī)時(shí)，我想知道你是先有一個(gè)基本的外形，還是先考慮飛機(jī)的性能和功能，然后在決定飛機(jī)的外形和視覺(jué)效果?或者兩者同時(shí)進(jìn)行?
A：除極少數(shù)情況以外，或許從來(lái)沒(méi)有，我們先有一個(gè)基本的性能指標(biāo)–要多大的升力，多遠(yuǎn)的航程，多快的速度之類的。所以我要從計(jì)算能達(dá)到上述指標(biāo)的物理參數(shù)開(kāi)始，這就基本決定了飛機(jī)的尺寸：翼展大約要多大，翼面積大約要多大等等。然后我要看看飛機(jī)的功能：飛機(jī)用來(lái)干什么，要裝載什么樣的載荷，飛行什么樣的空域，或者其他特殊的要求。它是不是需要失速自動(dòng)修正，比如說(shuō)。它是不是需要高的滾轉(zhuǎn)率。然后我試著用盡量多的構(gòu)型來(lái)滿足這些需要，然后逐一驗(yàn)證，淘汰那些不佳的構(gòu)型。一般來(lái)說(shuō)最后會(huì)有幾個(gè)構(gòu)型滿足需求，性能不相上下。它們中有些可能更貴一些，有些可能在某一方面有更好的適用性等等。當(dāng)然，我還是喜歡實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)看看有沒(méi)有提供這種適用性的其他方法。
一個(gè)很好的例子就是輕型雙引擎飛機(jī)，我很清楚輕型雙引擎飛機(jī)的安全性很差。雖然它們有兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但它們的致命事故發(fā)生率要比輕型單引擎飛機(jī)高得多。我認(rèn)為這是一個(gè)很重要的問(wèn)題。所以有那么兩段時(shí)間，我設(shè)計(jì)了一些輕型雙引擎飛機(jī)，一次是大約五年之前(指上世紀(jì)末——譯者注)，另一次是1976-77年間。兩次都是想完全解決輕型雙引擎飛機(jī)的安全性問(wèn)題。所以我試了一些非常特別的氣動(dòng)外形。一個(gè)是推進(jìn)式的鴨式飛機(jī)，它具有動(dòng)力喪失安全性(engine-out saftey)和失速自動(dòng)限制(natural stall limitings)，那是一架非常安全的飛機(jī)，還有“回旋鏢”(Boomrang)也有動(dòng)力喪失安全性。不過(guò)我想別的設(shè)計(jì)師可能會(huì)說(shuō)：“哦，搞得太激進(jìn)的東西太冒險(xiǎn)。”所以他們傾向于精煉那些已經(jīng)被接受的構(gòu)型，而不是嘗試新的。
Q：你設(shè)計(jì)出了一些歷史上最獨(dú)特的設(shè)計(jì)，你是從什么地方獲得靈感的?是從自然中嗎?
A：哦，這十年中我一直在說(shuō)，有許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈感是師法自然的。不過(guò)我可不記得我這輩子去野外觀鳥(niǎo)過(guò)。我只是憑直覺(jué)認(rèn)為海鷗應(yīng)該有一對(duì)長(zhǎng)的翅膀，而隼應(yīng)該有高的翼載。你知道，我可不記得我曾經(jīng)仔細(xì)觀察鳥(niǎo)類以便學(xué)會(huì)怎樣讓飛機(jī)飛起來(lái)。我覺(jué)得這是因?yàn)槲抑耙呀?jīng)有大量的成熟的設(shè)計(jì)，我不是生活在萊特兄弟之前。不過(guò)，告訴你，我對(duì)這一類東西還是很感興趣的。最近我聽(tīng)到的最有意思的報(bào)告是一個(gè)來(lái)自蒙大拿的教授做的，他叫…..
Q：肯·戴爾(Ken Dial)?
A：對(duì)!就是戴爾(肯·戴爾提出過(guò)自己對(duì)鳥(niǎo)類飛行起源的見(jiàn)解——譯者注)。
Q：他很有名。
A：有次他在一個(gè)航空的會(huì)上做了一個(gè)聽(tīng)起來(lái)有意思的報(bào)告，關(guān)于研究鳥(niǎo)如何控制飛行。
【美國(guó)國(guó)家航空航天博物館收藏的五種魯坦飛機(jī)分別是：1、首次實(shí)現(xiàn)載人單極近空間飛行，拿下Ansari X獎(jiǎng)的“太空船一號(hào)”;2、暢銷車庫(kù)飛機(jī)VariEZ;3、輕型飛機(jī)Quickie;4、首次實(shí)現(xiàn)載人不著陸不加油環(huán)球航行的“旅行者號(hào)”;5、首次實(shí)現(xiàn)載人不著陸不加油環(huán)球航行的噴氣飛機(jī)“維珍大西洋環(huán)球飛行者號(hào)”?！?/p>
Q：你最近沒(méi)有設(shè)計(jì)任何鴨式飛機(jī)。你覺(jué)得鴨式飛機(jī)是不是已經(jīng)發(fā)展到極限了，它還有發(fā)展的空間嗎?
A：等著看我的下一個(gè)作品吧。我今天工作了一天，今天是周日，昨天我也在工作。我得說(shuō)最近幾個(gè)月最忙的工作是設(shè)計(jì)一架新的鴨式飛機(jī)。一架非常優(yōu)雅、高升限多用途飛機(jī)。它能做許多像U2(美國(guó)空軍著名的高空偵察機(jī)——譯者注)那樣飛機(jī)的工作。通訊信號(hào)傳輸或者別的什么。我不準(zhǔn)備給這架飛機(jī)做失速限制。避免失速往往是建造鴨式飛機(jī)的一個(gè)理由。拿Long-EZ來(lái)說(shuō)吧，當(dāng)然也包括Defiant——這種特性表現(xiàn)在自然失速限制上，也就是說(shuō)在任何重心條件下全拉桿最大迎角時(shí)仍沒(méi)有危險(xiǎn)的失速特性。不過(guò)這架“新”飛機(jī)的失速特性不是我所關(guān)心的，它將會(huì)被兩名專業(yè)駕駛員駕駛。我用鴨式布局的主要原因是它的特別的載荷，比如一個(gè)大天線。
Q：可以冒昧的問(wèn)一下，這架飛機(jī)是為誰(shuí)設(shè)計(jì)的?
A：實(shí)際上有很多客戶。主要的投資是由我們“縮比復(fù)合材料公司”(Scaled Composites)完成的。其中一個(gè)客戶是做通訊服務(wù)的“天使公司”(Angel Corporation)，它要求的載荷是一面可以向數(shù)千用戶提供互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通訊服務(wù)的大的轉(zhuǎn)發(fā)天線。
Q:計(jì)算機(jī)技術(shù)和相應(yīng)的軟件是不是改變了你的設(shè)計(jì)方式呢?或者是縮短了你設(shè)計(jì)的時(shí)間?這些東西從你開(kāi)始使用改進(jìn)了多少?
A:嗯，回頭來(lái)看的話，應(yīng)該說(shuō)，設(shè)計(jì)一架像Defiant或者Long-EZ這樣的飛機(jī)，它的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算、放樣、載荷分析….這一切其實(shí)并不是一個(gè)很大的工作量。相比我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)的飛機(jī)，那是相當(dāng)少的。我想主要原因就是我們現(xiàn)在有了很好的計(jì)算機(jī)工具和很棒的軟件，可以讓我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)作大量的計(jì)算。不過(guò)我認(rèn)為，這所有的一切并沒(méi)有改變創(chuàng)造的過(guò)程：飛機(jī)的外形如何，如何通過(guò)革新和創(chuàng)造解決一個(gè)問(wèn)題。計(jì)算機(jī)現(xiàn)在干不了這些工作，可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)也不能。做這些工作的時(shí)候，我一般會(huì)改變一下我周圍的環(huán)境–不要接近計(jì)算機(jī)，哪怕是參考書和過(guò)去的設(shè)計(jì)成品，甚至是計(jì)算器。我經(jīng)常這樣做，尤其是去年。我所要的是畫板、彩色鉛筆和一個(gè)盡量遠(yuǎn)離辦公環(huán)境的地方。
Q：也就是老派的做法。
A：你知道，我是在故意不使用計(jì)算機(jī)。
Q：很有意思，我相信很多人聽(tīng)到這個(gè)答案會(huì)吃驚的?，F(xiàn)在貴公司有多少員工?
A：145人，現(xiàn)在分別做著有13個(gè)不同的項(xiàng)目(“縮比復(fù)合材料公司”成立于1982年，現(xiàn)在約有員工200人，已經(jīng)被諾斯羅普公司收購(gòu)——譯者注)。
Q：現(xiàn)在公司的經(jīng)營(yíng)狀況怎么樣?我知道你是公司的創(chuàng)立者，曾經(jīng)是公司的所有人?，F(xiàn)在還是這樣還是賣掉了?
A：“縮比復(fù)合材料公司”(Scaled Composites)是由兩個(gè)人組建的，我從來(lái)都不是它的獨(dú)立所有者，我現(xiàn)在持有它的一些股票，最多的時(shí)候曾經(jīng)持有過(guò)它的一半股權(quán)。
Q：你每天的生活是什么樣的?
A：哦，你該跟著我轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，尤其是最近，可狂野了，真的。
Q：我可以想象：很多時(shí)間獨(dú)自設(shè)計(jì)飛機(jī)，有時(shí)候也….你現(xiàn)在要花很多時(shí)間指導(dǎo)和管理公司的設(shè)計(jì)工作嗎?
A：獨(dú)自設(shè)計(jì)的時(shí)間的確是最享受的。當(dāng)然那不是我唯一樂(lè)意去做的事，不過(guò)我的確非常喜歡獨(dú)自設(shè)計(jì)。生意時(shí)間之外，晚上或者周末，我基本上都在獨(dú)自設(shè)計(jì)。有時(shí)候我也會(huì)突然發(fā)現(xiàn)我把自己鎖在屋子里搞設(shè)計(jì)，而且是在工作日，當(dāng)然這是很少見(jiàn)的情況。和大多數(shù)人一樣，我們朝七晚四，周一周五，一周40小時(shí)工作。時(shí)間一般是這樣分配的：采購(gòu);做提議;見(jiàn)客戶，同他們討論以知道他們的需求;向他們展示我們過(guò)去的工作;然后看看我們是否能完成客戶的要求。
我一般會(huì)注意其他人怎么工作，當(dāng)然只是從背后觀察，不打擾他們的工作，然后提一些建議。
我也參與飛機(jī)的制造，親自下手。我一直堅(jiān)持要我們所有的工程師都這樣做。你沒(méi)有親手制作飛機(jī)的能力就沒(méi)有權(quán)設(shè)計(jì)飛機(jī)，這是我們的一條準(zhǔn)則。這在洛克希德和波音是不可能成為準(zhǔn)則的，因?yàn)樗麄冇袕?qiáng)大的工會(huì)。不過(guò)我們認(rèn)為這是極其重要的，是強(qiáng)制性的。
Q：我想知道莫哈維(Mojave，位于加州東南部，是美國(guó)重要的航空試驗(yàn)基地——譯者注)的美麗和沙漠空曠無(wú)垠的景色多大程度上激發(fā)了你的靈感或者影響了你的設(shè)計(jì)。
A：嗯，沙漠是飛行的好地方，晴朗無(wú)云。唯一不利的地方就是有時(shí)候會(huì)有紊流和強(qiáng)風(fēng)。不過(guò)要說(shuō)景色激發(fā)靈感…我得說(shuō)絕對(duì)絕對(duì)沒(méi)有。你看，我現(xiàn)在在辦公室里，窗簾緊閉，為了不在電腦屏幕上反光。我設(shè)計(jì)的建筑一層都幾乎沒(méi)有窗戶，為的是保持室內(nèi)空氣寧?kù)o。我從不會(huì)去欣賞沙漠，真的。我不在沙漠中散步，那里有響尾蛇什么的?；丶业奈宸昼娐飞吓鲆?jiàn)一條響尾蛇是很討厭的。不過(guò)，我不是說(shuō)…我也喜歡去爬山或者到海邊看風(fēng)景，不過(guò)我從來(lái)沒(méi)有像那些城里人那樣看出沙漠的美來(lái)。
Q:現(xiàn)在莫哈維還是那樣一個(gè)小鎮(zhèn)嗎?你們公司的建立有沒(méi)有給莫哈維帶來(lái)更多人氣?
A：我覺(jué)得我們公司對(duì)小鎮(zhèn)并沒(méi)有產(chǎn)生多大影響。當(dāng)然，我們的員工比較多，但是只是150個(gè)人，全鎮(zhèn)有2800人吧，嗯，差不多是這個(gè)數(shù)。而且我們多數(shù)人并不住在鎮(zhèn)子里。莫哈維的人口跟它的海拔高度差不多。而且也沒(méi)有像其他的什么地方一樣增長(zhǎng)的很快。
Q：對(duì)，跟加州其他的地方差不多。前幾天我看過(guò)“回旋鏢”的照片，我認(rèn)為那是一個(gè)非常漂亮的設(shè)計(jì)。最吸引我的就是它不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)了。不對(duì)稱設(shè)計(jì)在飛機(jī)上并不常見(jiàn)，似乎對(duì)稱更被人接受，你怎么看?
【上世紀(jì)三十年代末，德國(guó)布魯姆福斯公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)一款名為BV141的軍用飛機(jī)，可以說(shuō)是不對(duì)稱飛機(jī)的鼻祖?！?/p>
A：是的。一架飛機(jī)穩(wěn)定在兩個(gè)軸上。一個(gè)軸垂直穿過(guò)重心，其上有一個(gè)垂直安定面和一個(gè)舵，保持飛機(jī)的偏航靜穩(wěn)定性。多數(shù)飛機(jī)都有不借助升力自主保持直線航行的能力。飛機(jī)的另一個(gè)軸水平穿過(guò)重心，提供俯仰穩(wěn)定性。在這個(gè)軸上，機(jī)翼和尾翼聯(lián)合保持穩(wěn)定性–機(jī)翼提供向上的力，尾翼提供向下的力。通常人們所沒(méi)有認(rèn)識(shí)到的是，除非飛行員不操縱，這兩個(gè)軸上的穩(wěn)定方式是相似的。升力不發(fā)生偏斜，它就是穩(wěn)定的。即使是一架不對(duì)稱的飛機(jī)。多數(shù)人有這樣的感覺(jué)：天哪，一架飛機(jī)必須是對(duì)稱的。一般來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么理由讓一架飛機(jī)不對(duì)稱。不過(guò)，我在設(shè)計(jì)“回旋鏢”的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)有許多的優(yōu)勢(shì)。首先，它可以使兩個(gè)引擎靠的更近，這樣在一個(gè)引擎失去動(dòng)力時(shí)的偏航和滾轉(zhuǎn)力矩就比普通雙發(fā)輕型機(jī)小的多。“回旋鏢”單發(fā)飛行時(shí)的偏航和滾轉(zhuǎn)力矩分別只有普通雙發(fā)輕型機(jī)的一半和四分之一左右。這架飛機(jī)雙發(fā)工作時(shí)有些不對(duì)稱，但這對(duì)于一架穩(wěn)定的飛機(jī)算不了什么。因?yàn)橛袡C(jī)身和另一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙承受扭轉(zhuǎn)力，我就可以將垂直尾翼和水平尾翼放的更靠后。這是多數(shù)人沒(méi)有認(rèn)識(shí)到的優(yōu)勢(shì)，這樣尾翼面可以更小、負(fù)載更低，而且更有效。
這給我提供了非常好的方向安定性，在動(dòng)力喪失的情況下，飛行員甚至只用副翼不用蹬舵就能保持飛機(jī)方向。這是與普通雙發(fā)輕型機(jī)驚人的不同。更后置的水平尾翼也給飛機(jī)提供了更寬的重心范圍，這可以讓我將乘客分散，乘客再也不用蜷縮在座椅上，膝蓋頂著前座了。事實(shí)上，像我一樣的大個(gè)子(我體重210磅)可以睡在飛機(jī)座艙后部而不用擔(dān)心飛機(jī)的重心過(guò)于靠后。而且另一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙可以裝載很多行李。這樣我就打破了很多飛機(jī)安定性設(shè)計(jì)的限制。結(jié)果是，嘿，你可以隨意裝載載荷而不用擔(dān)心超出飛機(jī)重心安定范圍了。
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