关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章,请考虑订阅我们屡获殊荣的新闻报道以支持我们。 订阅。通过购买订阅,您将帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
对飞机结构发展趋势的研究使得预测未来飞机的领先特性,特别是专为竞速目的而制造的那种类型的飞机,在某种程度上成为可能。以下是对这些方向的尝试性研究。笔者无意扮演预言家的角色,随附的图纸和描述主要基于对设计师、建造者和飞行员在本年度取得的惊人发展成就的调查。这一发展的基调在于,直航飞机的速度在过去一年中已从每小时 50 英里提高到 75 英里,并且航空界的“蓝丝带”(如果我们借用一个航海词汇)已从双翼机传到了单翼机,目前,就速度、轻便性和稳定性而言,单翼机遥遥领先,独树一帜。
因此,未来的赛车将是单翼机;在缩小到这种类型的过程中,人类只是在追随自然这位伟大的建造者的脚步。自然通过数百万年的进化过程,创造出了完美的飞行机器——信天翁这种奇妙的鸟类。因此,未来的高速飞行器将拥有与最迅捷的鸟类相同的逐渐变细的圆形身体和狭窄而宽大的翅膀。兰利在他的经典研究中表明,机翼的前缘部分效率最高,这是因为它不断地移动到新鲜的未受干扰的空气中。他表明,由于机翼的后部必须对已经从前部获得向下速度的空气起作用,因此这种空气无法提供绝对惰性空气所能产生的有效反作用力。因此,如果将宽度为 5 英尺、长度为 10 英尺的机翼纵向分割,并将相同的面积以宽度为 2-1/2 英尺、长度为 20 英尺的机翼呈现,则效率会更高。赛车的机翼将又长又窄;当它们用金属而不是目前的木材和织物制造时,就有可能赋予它们那些扫掠式的圆形形状,这可以防止涡流的产生,并且从结构的角度来看,也能在一定程度上增加强度。机身横截面通常呈圆形或椭圆形;为了便于空气流通,实现长而渐进的锥形,机身将具有相当大的长度。更大的长度还将大大提高飞行中的纵向稳定性。
目前的木材-帆布-钢丝结构将不得不淘汰。这充其量只是权宜之计,之所以被采用,是因为在早期的实验阶段,它提供了一种廉价且轻便的材料组合,并且万一发生实验工作中不可避免的破损,可以廉价且快速地修复。取而代之的将是目前可用的许多非凡的钢合金中的一种——这些金属具有与其重量成比例的巨大强度和韧性。结合使用这些材料以及熟练工程师的精心设计,将有可能生产出强度更高、重量不比现有机器重、并且阻力小得多的飞机。
飞机在飞行时遇到的主要阻力是升力阻力和迎头阻力。升力阻力相当恒定;因为随着速度的增加,迎角减小,并且两者之间始终存在调整,以便始终提供足够的垂直反作用力来提升 500 至 1,000 磅的重量,视情况而定。然而,迎头阻力大约与速度的平方成正比增加;如果在每小时 40 英里的速度下为 100 磅,那么在每小时 80 英里的速度下将上升到 400 磅。因此,在赛车中,将迎头表面积减小到与结构要求一致的最小限度非常重要。
正是对迎头阻力的这种考虑注定了双翼机作为纯粹的竞速类型。当奥克塔夫·沙努特建造第一架双翼滑翔机时,其轻巧但非常坚固的普拉特桁架采用垂直木制支柱和对角线钢丝拉杆,他制造了一件出色的工程结构,事实证明,它非常适合现在即将结束的早期实验阶段;但对于高速结果而言,由于迎头表面积较大,普拉特桁架注定要最终消亡。毫无疑问,单翼机所达到的更高速度很大程度上归因于其桁架更简单,并且迎头表面积,特别是钢丝拉杆的迎头表面积相对小得多。
现在谈谈一团绷紧的钢丝所产生的阻力。兰利教授在他的旋转台实验中表明,钢丝的阻力远大于其投影面积应有的阻力。随着速度的增加,阻力会迅速上升,直到达到某个临界点,在该临界点,钢丝会发出一种奇特的音调,阻力会突然且非常大地跳跃。这可以用以下事实来解释:钢丝在气流冲击下的振动速率非常大,以至于实际上呈现出一个固体表面,其宽度等于振动幅度。因此,一根绷紧的钢丝对空气产生的阻力似乎与其实际表面积完全不成比例。
由此可见,如果我们要实现为未来赛车预测的高速度,即使是布莱里奥和安托瓦内特类型的简单主销桁架也必须淘汰。现在,只有当用某种高级金属板代替机翼表面的帆布,并通过封闭在机翼表面内并牢固铆接到机器主体结构上的钢板构件来确保必要的横向弯曲强度时,这才有可能实现。
我们图纸中显示的机翼形式将提供足够坚固的金属结构。机翼应在靠近机身时显着加宽;因为这将提供上下表面之间越来越大的空间,并允许通道的深度与弯曲应力成比例地增加。这些通道。将延伸到主体中并铆接到横向隔板上,横向隔板应进行切割,使隔板的金属在一定程度上延伸到机翼中。我们相信,通过精心的设计、最高等级钢材的选择以及一流的工艺,将有可能提供强度充足的机翼,而不会超过飞机要求施加的重量限制。通过在机翼表面金属上轧制浅波纹(如图纸所示)来防止纵向屈曲。飞机的主体也将由薄金属板制成,横截面通常呈椭圆形;两个非常轻的桁架,一个水平,另一个垂直,从操作员延伸到靠近尾部。这些桁架的弦杆将由轻型 T 型钢制成。
为了承受集中在机翼和电机上的重载和应力,桁架的 T 型钢将增加深度并完全围绕机身前部延伸,在其在机头处的交汇处形成坚固的结构以支撑电机。横向隔板将提供额外的强度。当然,可以理解的是,所有这些金属构件都将采用特别轧制的极轻型截面,并且材料将是某种合金,例如钒钢,正如我们在社论页上指出的那样,钒钢在实验样品中显示的弹性极限高达每平方英寸 200,000 磅以上。电机功率将为 75 至 150 马力,具体取决于飞机的大小,可能采用旋转式;事实证明,格诺姆电机是理想的飞机驱动装置。
再次向自然寻求指导,我们发现快速飞行的鸟类在飞行时会将腿紧紧地折叠在身下。赛车也必须这样做。我们展示了一种建议的折叠式底盘布置,铰接在机身下方,并配有一个轭架,该轭架从车轴向上延伸到活塞杆的十字头上,活塞杆及其导轨和气缸由构成垂直桁架底部构件的 T 型钢支撑。气缸配有双向阀门和连接装置,压缩空气可以通过这些装置引入气缸的前端或后端。当底盘放下并运行时,压缩空气充当缓冲垫,为车轮提供一定的纵向运动量。一旦机器升空,阀门的抛掷就会将压缩空气引入气缸的前端,底盘就会紧贴机身向上拉起。一个小型的压缩空气罐为折叠机构供气,同时也为一个横向放置在汽车上的类似结构的小型气缸供气,该气缸操纵可移动的翼尖。该气缸的双向阀门由一个小型的陀螺仪控制,当飞行员想要转弯或执行其他特技动作时,陀螺仪可以脱离啮合。
为了回答对这种通用设计的机器可能期望的速度的问题,我们认为人们会认同,考虑到其优美的外形、完全没有钢丝、支柱和其他耗能表面,以及由于钢表面的光滑性,皮肤摩擦将降至最低——保守估计,这种机器在经过实验工作开发后,速度将达到每小时 100 至 125 英里。
如果纳特·赫雷绍夫先生将他应用于钢制赛艇的建造天才应用于钢制飞机,看看他能取得什么成就,这将是一件有趣的事情。
战争中的飞行器:飞机和飞艇的可能性
莱特兄弟刚证明人类驾驶可控的机动机器飞行是可能的,这种新装置对战争艺术的重要意义就变得显而易见了。在那之前,海军和军事力量的调动,以及侦察以确定敌人的实力和动向,完全是在地球表面进行的。无论是单个侦察兵的行动,还是十万大军的行动,到目前为止都仅限于长度和宽度这两个维度。现在又增加了一个维度,而作战领域的这种巨大扩展被认为以难以想象的程度复杂化了本已困难的战争艺术。
比战场上的军队冲突更重要的是那些初步的调查和行动,通过这些调查和行动,交战部队的将领努力查明敌人的数量和部署。准确了解敌军的阵地和动向,以及他所处国家的特点,常常使将军能够将其部队部署在相对于敌人的有利位置,从而在未发一枪一弹之前就赢得了战斗。迄今为止,成功的战略在很大程度上取决于拥有该国准确的地图、个体侦察兵的积极性和情报,或者依靠相对较小规模的部队进行的武装侦察,这些部队被派往前线以引诱敌人的火力并获得一些关于其阵地和实力的知识。近年来,无烟火药和高速、远程步枪的出现使得目前的侦察方法极其困难和危险,特别是当敌方将军采取一切预防措施来保持秘密和隐身时,而秘密和隐身是成功战略的精髓。
然而,飞机和飞艇的出现使得保密成为不可能。空中侦察兵必然会对未来战役的进行产生巨大影响,使本已困难的战争艺术变得令人费解,只有军事人员才能充分体会到这一点。
无论未来会怎样,可以肯定的是,目前,飞艇和飞机,特别是后者,其用途领域几乎完全局限于侦察工作。
对于此类工作,轻巧、小型且快速的飞机将被证明是极其宝贵的。未来的军事侦察兵可能是一架单翼机,能够搭载两个人,一名操作员和一名观察员,并且它将配备一台或多台发动机,使其能够以最高时速 75 英里甚至更高的速度飞行,这种高速度对于尽可能快速地将其运送到特定的观察领域是必要的。当它到达目的地后,如此高的速度将不再理想。机器必须减速,并且必须悠闲地在要勘测的国家上空飞行。为此,机器将配备缩帆表面,这些表面在快速飞行期间折叠或收起,现在将被展开以提供慢速飞行所需的大支撑表面。观察员将配备相机、素描板、望远镜和三角测量仪器。当他进行素描、笔记等时,飞机将以缓慢的速度在离地面数千英尺的高度进行大范围盘旋,凭借其巨大的海拔高度和位置的不断变化,即使面对大型野战炮的榴霰弹,它实际上也是安全的。无线电报的可行系统很可能被开发出来,其特性适合在飞机侦察兵和总司令部之间传输距离达 50 至 75 英里的消息。如果是这样,机器将搭载第三个人,他将不断传输可能收集到的关于敌人的信息。
飞机侦察兵对野外行动的巨大影响对于最普通的初学者来说也是显而易见的。如果库罗帕特金将军拥有六架这样的机器,那么日军在奉天周围部署长达一百多英里的巨大战线的任务将变得极其复杂,即使不是不可能。当然,乃木将军率领 5 万名旅顺老兵向西翼的大规模侧翼运动,能够完全绕过俄军右翼并突入其后方,这将已被发现并可能被挫败。谢里丹的著名骑行将通过空中进行,二十分钟的时间足以将他送到期望的地点。从萨姆森海军上将的旗舰“纽约号”的前甲板上发射一架单翼机,一小时之内就会发现塞尔维拉的船只在圣地亚哥港;而施莱-萨姆森的争议将永远不会在我们的海军史上留下其丑陋的污点。
飞机侦察兵将在海军和军事战略中产生多大的改变,这是无法预测的;但可以肯定的是,未来的交战指挥官将有点像两位棋手,他们都非常清楚对方的下一步棋是什么。
除了侦察任务之外,我们倾向于认为飞机的用途领域将相当有限。由于其载重量小,以及如果想躲避敌方火力就必须在高海拔地区运行,因此,通过向城市、堡垒、敌方营地或野战部队投掷高爆炸药所造成的破坏量,更不用说海上的战舰了,将非常有限,以至于对战役的结果不会产生实质性影响。从几百英尺的空中向航空展上的假想战舰投掷橙子是一回事,而从数千英尺的高度向在公海上快速移动的军舰投掷高爆炸药则是完全不同的另一回事。可以肯定的是,几架飞机可以携带的非常有限数量的高爆炸药投向城市或防御工事所产生的影响,在道义上可能会达到某种程度,但在物质影响方面却微乎其微。军事人员已经意识到,仅仅轰炸城市,无论是通过攻城炮还是攻击舰队的火炮,虽然可能会让敌人感到恼火并造成一些损失,但很少,甚至永远不会被证明是决定战役结果的严重因素。
如果不是被证实,那么对亚瑟港的俄罗斯舰队进行轰炸的结果也表明了飞机高爆弹袭击造成的损害是多么的小,日本陆军投入使用的 11 英寸攻城炮就是例证。这些火炮的射击由一名日本观察员指挥,该观察员位于从俄罗斯人手中夺取的高山上;炮弹每个重达四分之一吨,装有高爆炸药,无情、准确且几乎垂直地倾泻在俄罗斯军舰上。众所周知,整个俄罗斯舰队都被击沉了,人们推测是日本炮弹造成的。当这些船只在亚瑟港投降后被打捞上来时,令所有人惊讶的是,这些船只实际上是俄罗斯人自己击沉的,而落下的炮弹造成的损坏却小得惊人。那么,如果从两英里高空落下的 500 磅炮弹造成的损害如此之小,那么由于载重量小,飞机不得不限制使用的微型弹丸所造成的破坏将是多么的微不足道。
然而,飞机非常适合进行某些其他进攻性行动;例如,突袭敌方国家,目的是攻击其交通线、切断电报线、炸毁桥梁,以及突然袭击给养仓库,目的是纵火或以其他方式摧毁军用物资。此类袭击的迅速、静默和出其不意性质必然会使敌人感到非常恼火,而且有时可能会给予严重影响重要军事行动结果的打击。对于副官来说,快速飞机将是运送派遣到战场各地的理想交通工具。此外,在一场大战中,当需要总司令或其他高级军官突然出现在战场的某些偏远地点时,危机可能会频繁发生。在绵延战线上展开的冲突的关键阶段,在总部配备两三架快速飞机可能会被证明具有不可估量的优势。