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美国碟形飞行器相关领域进——全力

时间:2017-01-26    点击: 次    来源:联合会    作者:全力   - 小 + 大

摘要:美国科技的创新在航空航天领域一直领导世界,它的飞行器和空气动力学方面的发展也延循正确道路,而且有很好的包容性,甚至出现一些违反物理定律的研究,但这里我们还是从空气动力学出发来看美国在碟形飞行器方面的发展。其总体上来说,也是跟随着空气动力学的从低速到高速的、从亚音速到高超声速的、从普通空气到等离子体流的研究方向。可以说,高超声速飞行方面的等离子体流研究导致了“电磁空气动力学”的出现和发展。

       美国科技的创新在航空航天领域一直领导世界,它的飞行器和空气动力学方面的发展也延循正确道路,而且有很好的包容性,甚至出现一些违反物理定律的研究,但这里我们还是从空气动力学出发来看美国在碟形飞行器方面的发展。其总体上来说,也是跟随着空气动力学的从低速到高速、从亚音速到高超声速、从普通空气到等离子体流的研究方向。可以说,高超声速飞行方面的等离子体流研究导致了“电磁空气动力学”的出现和发展。

 

 

 

 

       阿弗罗飞车 20世纪50年代末到60年代初,加拿大阿弗罗公司为美国空军研制了一种非常有趣的飞碟实验机——VZ-9V“阿弗罗飞车”。它是根据美国的垂直与短距起落飞机计划,在完全保密状态下进行研制的。资料显示,这种飞车其圆盘形机身的中部设置了一个直径1.5米的涡轮转子,该转子由三台涡喷发动机提供的喷气流驱动。简单的说,就是从上部把空气吸入,然后把空气从碟型飞机的四周排出,从而把飞机“垫”起来,使飞机获得冲力,机身边缘开设一排角度可调的小喷嘴。

       当时,设计师弗罗斯特对“康达效应“坚信不疑、即“当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时,只要曲率不大,流体会顺着物体表面流动”,可惜“康达效应”并未能够创造奇迹:在19596月开始的地面测试中“飞车”就暴露出气动效率差的问题,9月进行的系留升空试验又发生失控摆动现象。试验结果表明,在近地飞行时,“阿弗罗飞车”的效率是比较高的,但是一旦其离地约2.44米以上时,飞行起来便摇摇晃晃,很不稳定。调查发现风扇推力损耗很大,风洞试验也表明其结构布局和控制方式并不合理,只有在很低的高度借助地面效应才能保持稳定,尤其是在垂直起降和离地较高状态下悬停,其经济性要比采用旋翼的直升机稍差一些,平衡控制与姿态操纵也更复杂。尽管研制团队重新设计了气流控制单元和稳定系统,但只是部分改善了悬停能力,远远达不到军方对速度和高度的最低要求。

       美国空军曾建议给此款飞车装上一个尾巴,起稳定的作用。但弗罗斯特是一个完美主义者,他认为飞碟装上尾巴还叫飞碟吗?所以坚决不同意。阿弗罗飞车可以说是一种真正的“飞碟”式飞机,然而这个“飞碟”充其量只能够实现空中悬停但远远做不到像飞碟那样在空中往来穿梭。虽然在飞行试验期间曾对其原设计作了重大修改,但仍未达到预定目标,以致在1954年至1961年期间用掉1000多万美元之后, 五角大楼于1961年底决定放弃这项计划。

军事专家张召忠点评:“阿弗罗飞车”的进气口在上面,进气以后通过压缩空气开始产生喷力,喷气管朝下,飞碟和地面之间向下的喷力越大,“飞车”起来得就越快。当它距离地面30米的时候,和地面之间的空气的气垫很充足,在30米高度飞行没有问题。如果它离地面太高了,到3000米,空气太稀薄,它可能就不能动了。另外它没有方向控制,现在飞碟可以利用喷管的原理,不一定装方向舵,但当时肯定是没有运用,导致它会在空中乱转,很危险。所以最后放弃这项计划主要是这两个原因:没有方向控制以及不能飞得太高。

 

 

 

 

      《飞行国际》网站2008827报道,基于科恩达效应(Coanda Effect)的杰奥夫飞碟(GFS)项目中首架自主飞行的Fenstar 50飞行器使用内燃发动机,希望能在2008年年底实现飞行,其首飞是在今年的6月。

       Fenstar 50无人机是首个利用柯恩达效应飞起来的飞行器。Fenstar 50的碳纤维结构由lola group公司的复合材料专家提供,两冲程的发动机燃料为石油和汽油的混合物,最大起飞重量18.5kg,有效载荷5kg,能携带4L的燃油,依据其有效载荷的情况,其续航时间可以达到1小时。

       科恩达效应是沿飞行器表面的高速气流在拐角处能附于表面的现象,通过这种效应来产生升力。GFS项目的目标是为今年晚些时候的飞行测试选择一个自动飞行系统,目前正在和系统供应商接触。

       公司已经和美国军方完成了一次评估研究,目前正准备另一项评估研究。GFS项目参与了MIRA团队的英国国防部自主飞行器重大挑战竞争,其原型机使用锂聚合体电池提供动力。在重大挑战项目中,GFS项目参与了一些垂直起降飞行器项目,包括曼切斯特大学的Tumbleweed。锂聚合体电池提供动力的飞行器直径1m,一个中央控制盒和六个转子在刹车的末段,看起来像一个轮子。

 

 

 

 

       据美国生活科学网报道,来自美国佛罗里达的佛罗里达大学工程学教授苏布拉塔·罗伊设计出一种圆形旋转飞行器,并正为其设计方案申请专利。他将这个飞行器命名为WEAV,这是无翼电磁空中交通工具(wingless electromagnetic air vehicle)的首字母缩写。

  该名称显示这个飞行器原型机有几大优势。它可以盘旋和垂直起降。因为没有运动机件,WEAV的安全性能应该相当可靠。虽然罗伊的这艘利用电池供能的样机只有6英寸长,但是他认为制造一个更大的飞碟是非常有可能的。

  罗伊将他的经验应用到美国空军资助的等离子体研究上,该研究的目的是研发没有推进器和发动机等典型飞机部件的推进系统。下面是这种样机的工作原理:飞碟表面的电离涂层电离周围的空气,在飞碟外部产生等离子区。穿过这种等离子区的电流施加影响,不仅产生了必要的抬升力和动力,还让该飞行器在有风的情况下照样保持稳定状态。

  WEAV看起来就像一个正在空中飞行的平底锅,它被设计成部分凹陷,整个表面呈连续的曲线形态。这种设计大大提高了飞碟的提升和控制能力。罗伊除了在地球上对这个飞碟模型进行了实验外,他还设想将其送到土星的卫星土卫六等其他天体的大气中飞行,这些地方较高的空气密度和较低的重力将有利于它的飞行。

  从概念到成品的过程不会一帆风顺。在地球大气中飞行所需的推力至少要比在外太空飞行高10倍,因为外太空的摩擦力和重力更低。飞行必须的等离子体也会阻碍用于远距离交流的信号发送。但是这些问题并未让罗伊失去信心。

       据国外媒体报道,一种能够像科幻电影中的UFO那样在空中自由穿行的碟状飞行物有望在不远的将来开始为人类服务。美国佛罗里达大学的苏布拉塔·罗伊日前宣布,这种新型飞行器以离子化的气体为推进剂,既能够在大气层内飞行,也可用于执行未来的星际探测任务。

       罗伊强调说,按照目前的设计方案,这种飞行器还只能用于执行探测、监视和搜集各类数据等耗电量较小的任务。

       WEAV可以像直升机那样进行垂直起飞和降落,在空中进行悬停,而且还可以完成许多高难度的机动动作。不过,与现有的各种飞行器完全不同的是,WEAV既不用安装传统的喷气式发动机,也不用装备螺旋桨和旋翼。悄无声息的运行使其看起来就像是一架“真实的UFO(不明飞行物)”。

       至于WEAV的飞行原理,据罗伊介绍,它并没有运用神秘莫测的反重力技术。WEAV的表面安装有许多特殊的电极,可以将周围的空气转化为薄薄的一层等离子体并附着在飞行器表面。之后,WEAV会释放出一股较强的电流--它在与周围等离子体发生相互作用的过程中会产生一股较强的力,使得周围的空气发生扭转,进而推动飞行器运动。

       之所以要将WEAV设计成碟状,主要是使其表面与空气的接触面积达到最大,以便在各个方向上都能产生足够的气流以使飞行器达到悬浮状态。罗伊强调说,WEAV还具有很强的抗风性能。现在,罗伊已研制出了一款WEAV的原型机,不过,其尺寸非常小--不足15厘米。为了能够靠一组不太大的电池组进行运转,该原型机的质量还必须足够轻。这架WEAV的建造工作将在佛罗里达大学进行,首飞预计将在今后四个月内实施。

       当然,目前人们还对这种新型飞行器存在着一些困惑:要产生足够强的电流以及能够推动WEAV飞行和悬浮的力,必须有一个功率很强又非常轻的电池。至于罗伊是如何解决这一难题的,目前还不得而知。另外,如何将飞行器获取的信息传送回地面或是如何接收控制指令,都是非常难以解决的课题。专家们解释说,包裹在WEAV周围的等离子气体会阻碍电磁波的通过。

       尽管面临许多难题,但罗伊认为,从理论上讲,这种具有革命性的飞行原理是可以应用于制造大型飞行器的。另外,用于建造WEAV的所有材料都是可以购买到的。与传统的垂直起降飞行器相比,WEAV的最大优势在于其没有复杂的传动和推进部件。这使得其有可能成为更为可靠的飞行平台,用于搭载照相机和传感器执行多种任务。

       那么这种奇特的飞行器在没有空气的太空中是否也能够平稳飞行呢?罗伊指出,在外太空虽然没有空气存在,但那里却分布着数量可观的离子。虽然目前还没有合理的方案,但科学家们相信,在太空中采集足够的离子并非是不可实现的。

       至于一架WEAV需要多大的尺寸和重量,主要取决于其搭载负荷的多少。在谈到WEAV的空间用途时,罗伊指出,这种碟状飞行器是可以用于对那些拥有大气的行星进行探测的。他表示相信:“在研究土卫六和土星其它卫星--均拥有相对较低的引力和浓密的大气--的领域,WEAV将是一种非常理想的工具。”罗伊的研究此前还曾受到美国空军的资助。另外,美国国家宇航局也对WEAV表示出了兴趣。虽然现在美国空军和NASA均未提出进一步的资助计划,但罗伊乐观地表示:“当然,风险是非常巨大的,但其可能带来的好处也是非常诱人的。一旦取得成功,我们将会拥有一种集飞机、直升机和‘飞碟’特性于一身的全新飞行器。”

 

 

       美国纽约的温斯勒工学院提出的一种空天飞机方案可算是真正的“飞碟”飞行器。当这种像凸透镜片形状的飞行器以M25的高超音速飞行时,它的凸起弧面朝向前方,因为圆钝的前端有利于突破“热障”。为了减少阻力,它的圆心伸出一个细长的等离子锥管,用来激发等离子体和产生斜激波,使“飞碟”躲在激波锥后方稀薄的空气区里,承受的阻力只相当于M3时的情况,并且激波带走大部分的热量,使“飞碟”免于受到烧蚀。而当它飞行速度减慢时,“飞碟”逐渐改成水平姿态飞行,让它的边缘朝向前方,可以产生更高的升力。同时,它的等离子锥管也相应地向机体内收入,而“飞碟”使用的磁流体动力“等离子体”推进系统,可以迅速地加速周围的空气,推动它前进。它周围的等离子体在加速时放出眩目的光芒,并且“飞碟”周围的等离子体可以吸收雷达波而有“雷达波隐身”能力。

总结分析:

    上述美国的碟形飞行器设计的主要发展是在高超声速的对控制激波、克服热障、等离子体空气动力学方面的一些研究和进步。随着空气动力学的高超声速领域向等离子体主动控制技术方向的发展,从而出现交叉学科“电磁空气动力学”并非偶然而是必然结果,但是这些碟形飞行器仍然没有在低速飞行和垂直起降领域对产生气动升力的“涡旋”进行创新,应当还是以“附着涡”的应用为主,没有应用“分离涡”的迹象。

 

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