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来源:观察者网 作者: 2017-12-13 22:50:12 字号: A- A+

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  唐纳德·特朗普作为美国总统的第一年不怎么顺利。就任之初的白宫幕僚走了大半、限制移民的总统令被多次驳回、税改法案国会也进展缓慢。

  但他二十多年前的一个创业梦想意外实现了:避开拥堵的车流,搭直升机从闹市区去机场赶飞机。

  1989年特朗普买下了一家航空公司改名“特朗普航空”(Trump Shuttle),开始在纽约曼哈顿的商业区和拉瓜迪亚机场之间利用直升机提供短途航班服务,广告语是“六分钟从华尔街到机场”。

  那年特朗普43岁,对政界表现出兴趣刚刚两年。不过他的航空生意没有政治生涯远,特朗普航空创办3年后就经营不下去,让未来的总统背负了1.35亿美元债务。

  直升机“通勤”在特朗普就任总统后变成了现实。

  

直升机发明 110 年,它会因为无人驾驶和电动变成空中出租车么?

  

  特朗普乘坐“陆战队一号”/Joint Base Andrews

  特朗普去华盛顿以外的城市都是在安德鲁斯空军基地搭乘“空军一号”。他从白宫南草坪登上总统专用直升机“海军陆战队一号”,只需要不到10分钟就可以抵达机场。如果开车,哪怕有特勤局开道,这段路无论如何也要走30分钟。

  巧合的是,“特朗普航空”的直升机是西科斯基S-61。27年后,特朗普总统专机“海军陆战队一号”就改装自S-61的军用版本SH-3“海王”。

  如今,距离法国人保罗·科尔尼1907年第一次试飞成功直升机已经过去了110年。

  这110年里,有多家商业公司像特朗普航空一样试图将直升机变成城市快速通勤的工具,但它们无一例外的失败了。直升机出行依然是权贵的特权。

  今天大部分直升飞机在军队或者消防队、警队等专业机构中服役。

  现在随着无人机和电动技术的成熟,新一批商业公司开始鼓吹新的飞行出行的未来:Uber说以后打飞机会像坐出租一样容易;空中客车说以后的无人机会和现在的遥控玩具差不离;中国公司吉利还买下了一架飞行汽车创业公司,宣称2020年让人坐上。

  直升机和飞机的原理相似,诞生也依靠内燃机的发明

  直升机使用与固定翼飞机相似的原理:直升机至少有两片旋翼,这些旋翼具有与固定翼飞机相似的特殊造型,旋翼依靠转轴圆周运动,就如同固定翼飞机在空气中前进,从而提供升力,进一步升空。

  人类从仿生学中模仿垂直飞行,比“仿生学”这门学科成型都要早,比如最早出现在中国晋朝葛洪所著的《抱朴子》中的“竹蜻蜓”:三片旋翼、木质转轴、用牛皮环提供动力。

  1480年代,著名画家、发明家达芬奇也曾经设计过想象中的垂直起降飞行器模型。在他的“飞行螺丝”画作中,“直升飞机”没有旋翼,由一个螺旋型的布制结构提供升力,他设想这个机器用螺旋弹簧提供动力,可以乘坐一个人升空。

  

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  达芬奇的“直升机”设计草图

  1861年,“直升机”这个词是由法国发明家Gustave de Ponton d'Amécourt提出,意思就是“螺旋的翼”。在那之前和之后,有众多工程师试图设计这种机器,但因为蒸汽机体积过大,内燃机还未成熟,没有一架直升机离开过地面。

  1878年,意大利人Enrico Forlanini制造了一个用蒸汽机驱动的无人驾驶直升机,这架机器离开地面12米,悬停了20秒,飞机和地面之间有软管连接,无人乘坐。

  托马斯·爱迪生也参与过直升飞机的发明,他曾参与设立了一个1000美元的发明基金,用来奖励成功造出直升飞机的人。爱迪生自己设计的原型从未成起飞过,还曾在动力试验中发生了事故,烧伤了一名工人。

  1907年,在莱特兄弟的“飞行者号”第一次动力飞行四年后,法国人保罗·科尔尼坐着让自己设计制造的直升机,第一次稳定离开地面。这架机器被公认为直升飞机的诞生。

  

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  保罗·科尔尼的第一架直升机/Wikipedia

  这架直升机有两个6米直径的旋翼,左右并排排列,朝不同的方向旋转来抵消旋转产生的力矩,在空中保持稳定。直升飞机安装了一台法国Antoinette公司生产的24马力的汽油内燃机提供动力,驾驶员就坐在发动机后面,位于两个旋翼之间。

  但法国工程师保罗·科尔尼的这架直升机仅仅是离开地面悬停过而已,它并不能真的受控飞行。

  1907年11月13日,保罗·科尔尼驾驶这架直升机离开地面2米左右,维持了不到一分钟的飞行。后来的研究证明,这架直升机实际上缺少必要的控制设备,它没有办法转向或是朝着某个方向前进。

  在1907年试飞成功之后,保罗·科尔尼也放弃了这个设计,之后也没有在直升机上有什么突破,主要靠自行车制造维持生计。

  在真正的直升机之前,旋翼机被更早的投入使用:

  

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  Cierva C.30旋翼机/Wikipedia

  旋翼机和直升机的区别在于旋翼机的旋翼并没有发动机驱动旋转,这种飞机还有另一个螺旋桨提供向前的动力,旋翼会在飞机向前运动时被空气吹动旋转,同时提供升力。

  旋翼机结构比直升机简单,不能垂直起降,但是能提供比固定翼飞机更好的低速性能。

  世界上第一种具有成熟功能和可控制性能的直升机,1936年诞生的德国福克-沃尔夫Fw 61,就是基于Cierva C.30 旋翼机的原理设计的。

  

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  福克-沃尔夫Fw 61/Wikipedia。Fw 61 的旋翼可以通过飞行员前后推动操纵杆,同步控制前后倾斜,飞机此时可以向前或向后飞行。两个旋翼的角度可以通过控制杆左右移动控制,此时飞机就会向左或向右转向。另外,机尾那几片看上去和固定翼飞机非常类似的尾翼可以通过脚蹬控制,可以在飞机前进时提供辅助空气动力控制。

  从外形上看,福克-沃尔夫Fw 61 和现在常见的直升飞机区别有点大,它有两个三叶旋翼,左右布置,机身就是另一种固定翼飞机Fw44 改装,机头上还有一个固定翼飞机那样的螺旋桨。

  但实际上,这架飞机的主要动力和控制都是由旋翼提供,机头上的螺旋桨主要作为低速和悬停时为发动机降温,提供的前进力量占比很小。

  福克-沃尔夫Fw 61 优秀的性能受到了德国军方的好评。它可以垂直起降,最高时速112 公里每小时,续航里程230 公里,升限3400 米。但在随后的第二次世界大战里,刚刚诞生的直升机被认为缺乏实战能力,不管是福克-沃尔夫Fw 61 还是更先进的FA 223,都仅用来侦查、运输和医疗,没有大规模列装。

  现代直升机的样子1940 年代已经确定,最大的挑战是操纵

  总统特朗普的专机“海军陆战队一号”基于西科斯基“海王”直升飞机改装。

  西科斯基公司是世界上最重要的直升机制造商之一,它的创始人伊戈尔·西科斯基也是现代直升机的发明者。

  1889 年,伊戈尔·伊万诺维奇·西科斯基出生在俄罗斯帝国境内,也就是今天的乌克兰基辅。大学教育之后,他在1914 年开始的第一次世界大战期间,作为工程师就开始参与固定翼飞机的设计。

  1917 年,西科斯基在俄国布尔什维克革命中被迫害,后逃往法国继续从事飞机制造工作。但1919 年一次大战结束,没有政府继续资助飞机工业,他移民前往美国。

  在美国,他投入了美国军方的订单中:第一架实用性军用直升机。

  西科斯基的VS-300 直升机开创了“单旋翼-尾桨”结构,这种结构沿用至今,是目前应用最广泛的直升机结构。

  

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  西科斯基VS-300/Wikipedia

  所谓“单旋翼-尾桨”,这种直升机具有一个流线型的机舱,顶部安置一个大尺寸的旋翼,叶片数量不定;旋翼由一个发动机驱动,1950 年代以前多为内燃活塞发动机,之后的主流是涡轮轴发动机;发动机同时通过传动机构驱动一个位于飞机尾部,垂直安置的小型螺旋桨,叫做“尾桨”。

  尾桨是一个重要的发明,因为只要是由旋翼驱动的直升机,随着旋翼的转动,飞机会自然产生一个令机身旋转的扭矩,如果没有抵消的结构,机身就会转个不停。尾桨可以抵消它。

  

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  现代直升机复杂的旋翼结构/Wikipedia

  但单旋翼加上尾桨的结构更为简单。从VS-300 开始,几乎所有的直升飞机都使用类似的机构进行控制:飞行员两腿之间的周期变距操纵杆(Cyclic Control),军用名为回旋操纵杆控制主旋翼平面朝任意方向倾斜,就像打伞一样,此时直升机会保持机头方向不变,同时向操作杆移动的方向倾斜并前进。

  驾驶员座位旁有一个像汽车手刹一样的总距操纵杆(Collective Pitch Control),军用名为集体操作杆,可以控制发动机的转速以及旋翼的倾角,以便让旋翼产生不等的升力,控制飞机上升和下降。

  驾驶员脚下还有两个脚蹬(Anti-torque Pedals),军用名为尾舵,主要控制尾桨的出力大小,让直升机自然产生的转矩控制机身旋转,从而控制机头的朝向。

  

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  直升机操纵面示意图/Wikipedia

  总而言之,直升机驾驶员需要两只手、两只脚一起工作,才能令直升机平稳飞行。在现代直升机上,部分操作由计算机自动控制,减轻了直升机飞行员操作的复杂性,但原理不变。

  相比之下,固定翼飞机飞行员就简单一些,他们虽然也需要手脚并用,但绝大部分固定翼飞机只要飞在空中,就处在一个自然稳定的状态。就像在高速路上开车一样,飞行员只需要握住操纵杆,保持航向就可以。而直升机飞行员控制的机器则是一个随时会朝着意想不到的方向运动的不稳定物体,就像骑一辆自行车,需要时刻保持操纵才行。

  之后的直升机有许多改进,但安全和学习成本限制了它的使用

  今天的直升机已经拥有不错的性能,目前,全世界飞得最快的直升机是韦斯特兰WG.13 山猫,1986 年创下了400.86 公里每小时的直升飞机飞行速度纪录。

  大部分直升飞机的巡航速度都在300 公里每小时上下,比如著名的西科斯基UH-60“黑鹰”直升机,巡航速度为301 公里每小时,而使用原理类似的涡轮螺旋桨发动机的飞机,巡航速度至少500 公里每小时。

  

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  UH-60“黑鹰”直升机/Wikipedia

  对于不受道路影响、直线飞行的直升机,300 公里的时速可以在城市里甩开任何汽车。

  直升机还有一种结构变体,这种结构变化大到美国联邦航空局已经不认为它是“直升机”,而是“短距/垂直起降飞机”:波音-贝尔V-22“鱼鹰”倾转旋翼飞机。

  

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  波音-贝尔V-22“鱼鹰”倾转旋翼飞机/Wikipedia

  这种飞机安装两台左右并列的涡轮轴发动机,和两幅相对较小的三叶旋翼。在起飞阶段旋翼向上,飞机以直升机的姿态起飞;两台发动机可以同步旋转,在起飞过程中逐渐转向朝前的方向,飞机也逐渐转变成传统飞机的姿态,升力也主要由机翼部分提供。

  V-22 具有其他直升机不具备的性能,他能携带最多 9 吨载荷,以超过 440 公里每小时的速度巡航,航程 1600 公里以上,这是普通直升机完全不具备的性能优势。

  从最初的西科斯基VS-300 到今天的鱼鹰,直升机基本原理没变,但技术水平已经提升了很多。

  今天的直升机虽然还需要踏板、操纵杆一起操作,但已经变成了计算机辅助控制。以V-22 鱼鹰来举例,当驾驶员操作两腿之间的回旋操纵杆时,虽然飞机依然会随着控制杆改变飞行方向和姿态,但这个过程是计算机协调了方向舵、发动机升力以及旋翼迎角一起输出的操作。

  但有一件事情没有变,就是直升机的安全性。

  相对于固定翼飞机,直升机最大的优势在于垂直起降。这个特性允许这种飞机只要有一片空地就可以起降,可以在固定翼飞机不具备条件的地方工作。比如在目标上空以任意高度悬停,在山顶起降,甚至倒退,从而完成救援、人员和装备投送、定点观察等工作。

  与此同时,直升机因为更靠近地面,比固定翼飞机更容易面临危险。作为民用用途,容易碰到树木、大楼和电线等障碍物;作为军用,直升机执行的任务以低空飞行为主,遇险时成员根本没有条件展开降落伞。同时,靠近地面的飞行意味着空气动力条件更为复杂,会出现例如地面效应、涡环、叶片失速、尾桨失效等问题,这个时候直升机难以控制,只能坠地。

  突袭本拉登住所时,美国特种部队的一架直升机坠毁,并不是因为遭遇抵抗,而是因为悬停时高温和高墙影响了旋翼产生的气流。尽管它的飞行员身经百战,但直升机还是失控迫降。

  军队可以承受事故和人员伤亡。但民用领域不一样,一次恶性事故就可以毁掉一个生意。

  1950 年代开始的直升机通勤服务,毁于三次恶性事故

  1956 年,纽约有一家名为“纽约航空”的公司,尝试推出了直升飞机通勤服务,从曼哈顿直达纽约肯尼迪机场的定期航班。

  纽约的两座机场离市区较远,这种服务的对象是那些需要快速从纽约闹市区前往机场的人。这种“飞行公交车”一天飞行数班,全程仅需要 10 分钟,票价相当便宜,仅相当于今天的 40 美元。

  1960 年代,随着纽约曼哈顿岛上建立了新的直升飞机机场,纽约航空的直升飞机直接降落在东码头的直升飞机机场,这里距离曼哈顿下城和华尔街只有一步之遥。1964 年,从纽约市的肯尼迪机场到纽瓦克机场之间每天有 32 班直升飞机航班,返回市区有 33 班直升飞机航班。

  但好景不长。

  1963 年 10 月 14 日,一架纽约航空的波音BV 107-II?Vertol双旋翼直升飞机从肯尼迪机场经华尔街飞往纽瓦克机场途中发生机械故障坠毁,6 人丧生。

  1977 年 5 月 16 日,纽约航空一架西科斯基S-61L直升飞机正在曼哈顿岛中城的泛美大厦楼顶机场停靠时发生侧翻,转动的旋翼当场杀死四人,掉落的叶片还砸死了大厦楼下一名行人。事故发生之后,泛美大厦楼顶的直升机停机坪永久停业。

  

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  泛美大厦楼顶倾覆的西科斯基S-61L/纽约邮政档案馆

  1979 年 4 月 18 日,纽约航空一架西科斯基S-61L直升飞机从纽瓦克机场起飞时尾桨断裂,飞机从 45 米空中坠落地面,3 人死亡,13 人重伤。

  这次事故之后一个月,纽约航空申请破产。

  后来,特朗普航空试图重启这个业务。1989 年,特朗普航空开始用三架西科斯基S61 直升飞机与两架波音 234 双旋翼直升飞机,在纽约拉瓜迪亚机场和华尔街之间提供定期航班,每天 9 班,票价 199 美元。

  

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  特朗普航空的直升飞机航班海报/?Craig Morris

  但是特朗普赶上了 1990 年海湾战争带来的油价飞涨,航空煤油同样来自石油,1992 年,特朗普航空因业绩不佳被收购更名,航班停飞。

  随着无人驾驶和电动车的到来,一批公司重新构想城市里的飞行通勤

  2016 年,Uber宣布了一个名为“Uber Elevate” 的飞行车计划,计划在闹市区和郊区之间提供“飞行出租车”的服务。2016 年 4 月,Uber宣布它的飞行车将在 2020 年之前进入迪拜和美国达拉斯两座城市,2017 年 11 月,Uber又宣布将进入美国洛杉矶,还计划和 NASA一起,开发一个“空中出租车”的管理系统。

  Uber飞行车到底什么样子,其实现在还完全没有头绪。不过从目前做着同类研究的公司来看,它得是无人电动直升机。

  航空巨头空中客车去年发布了一份“无人驾驶空中出租车”的计划“Vahana”,还公布了概念图。这架飞机将具有八具电动螺旋桨发动机,并且安装在两组“倾转旋翼”上。飞机可以搭载一个人垂直起飞,升空之后发动机转向朝前,飞机平飞,之后可以垂直降落。在遇到危险情况时,飞机会弹出一个降落伞带走乘客。

  

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  空中客车 Vahana

  德国初创公司 Volocopter走得更远些。9 月份,他们在迪拜举行了一场试飞,一架看上去就像是放大版遥控玩具的飞机,装有 18 片旋翼,可以以每小时 30 英里的速度飞行 30 分钟。

  为了应对飞行故障,飞机还配有备用电池,即使遇到最糟糕的情况,飞机上还有为乘客准备的降落伞。这家公司目前已经获得 2500 万欧元的投资。

  

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  德国初创公司 Volocopter的载人多旋翼飞机

  中国公司在这个方面也有动作。7 月份,吉利宣布要买一家美国飞行汽车公司 Terrafugia,上周两家公司正式签了收购协议,协议没有公布交易的价格,但是公布了新公司的人员任命和产品计划。吉利表示,将全力支持 Terrafugia的飞行汽车计划。

  吉利购买的 Terrafugia公司。他们在 2014 年推出了一款飞行汽车,这种车看上去就像是短粗版的小型私人飞机,只不过机翼可以折叠,车身可以缩小到允许在路上行驶的程度。

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  这种飞行汽车还需要滑行才能起飞,换句话说,它其实只是一架体积较小的电动飞机。Terrafugia的愿景是在未来几年内推出和 Uber、空中客车非常类似的垂直起降飞行汽车。在官方网站上,罗列了这种计划中的飞行汽车各种参数,但最关键的动力部分依然是语焉不详。

  商业公司卷土重来是因为新技术。首先是电动化。

  过去,绝大部分直升机使用涡轮轴发动机,这种发动机性能强劲同时效率也不错,但噪音巨大,而且需要专业人员频繁维护。但 Uber和空中客车等公司提出的未来“空中汽车”概念,使用电动机的设计可以改善这个问题。

  电动机的体积、重量和噪音都比涡轮轴发动机小得多,他们之间的区别就像大疆遥控无人机和喷气式客机那样明显,一台电动无人机能发出的最大噪音,就是旋翼拍动空气发出的声音。

  因为电动机体积更小,未来的“飞行汽车”可以比现在的直升机体积更小,结构更简单,同时安装更多的旋翼和发动机。过去,一台直升机最多两个旋翼,基于涡轮轴发动机的传动结构,旋翼越多结构越复杂。但电动机没有这个问题,可以每一个旋翼就是一台单独的电动机,目前展出的原型机已经有很多 4 ?旋翼、8 旋翼甚至更多。

  这样一来,直升飞机的安全问题可以解决一部分:当旋翼数量足够多的时候,一台发动机失效就不再是“黑鹰坠落”那样的灾难性事故,飞机依然可以安全着陆。

  同时,自动驾驶技术的发展抹除了直升机驾驶员培训的问题。

  过去,一架直升机至少需要一位驾驶员,在直升机驾驶员稀缺的情况下这本身就是问题,而且在建筑密集的城市中飞行,人类的感官也许是不够适应复杂的飞行条件的。但计算机技术的发展可以让未来的电动直升机完全无人驾驶,乘客只要输入地址就行。

  但是,“空中汽车”依然不会在短时间内出现在你的生活里

  最根本的是电池问题。现阶段,电动汽车的电池问题还远远没有解决,大部分电动汽车选择了 300 公里这样一个折衷的续航里程,来平衡充电时间与电池重量。少数电动汽车,比如特斯拉,选择装上大容量电池来保证续航。

  但在飞机上,“堆电池”是完全不可行的。汽车上装更多的电池,电动机仅仅在加速时才会为拖着电池走付出更多电力。但在飞行中,电池重量的影响更大。

  目前没有一个公司拿出关于续航的保证。飞行中可能遇到天气问题、冬天电池性能也会受影响。在北京这样的大城市,航程如果低于 150 公里,基本飞去机场就不能保证回来了。而大容量电池充电是很慢的。如果载两人飞一次就得充电,它一天也就飞不了几次,直接导致成本的上升。

  此外泛美大厦顶上的事故证明,城市里的飞行交通工具责任格外重大,因为任何事故可能都会殃及行人和建筑。

  虽然 Uber等公司说明,未来的飞行交通工具都会具有螺旋桨,可以安全降落,但一旦出事故这些飞车最终都需要落地,而垂直起降的飞机容错空间很小,在建筑密集的城市中发生意外将是灾难。

  另一个问题是成本。

  1990 年代“特朗普”航空的失败,证明了一件事:时间没那么值钱。即使在纽约曼哈顿这样的城市,华尔街的银行家们也不大需要为前往机场节省一个小时的时间。

  现在就更不需要了。在人人联网、飞机都在普及 WiFi的现在,人们对通勤时间的要求更低了。

  但直升机的电动化有机会让目前已经在用直升机的一些行业受益。

  执法部门说不定可以依靠电动直升机改变反应速度。今天每个城市都有特警队,全副武装解决暴力犯罪。但受限于路况,他们很难即时赶到现场。目前更多是碰运气一样开车在城市中巡逻。

  少数城市,比如面对恐怖袭击威胁的伦敦,现在直接用 V-22 鱼鹰运输陆军特种部队反制恐怖袭击。但这成本相当高昂,平均飞一小时要花 8.3 万美元。他们不会因为一般的暴力事件出动,哪怕生命受到威胁。

  免去驾驶员和高昂维护费用之后,类似《少数派报告》里警察从天而降,像蝙蝠侠那样总能即时赶到现场成为可能。

  过去,民用直升机做医疗运输是主要功能之一。在未来,廉价的电动直升机因为可以节省飞行员和维护人员,从而价格更低,普及到更多医院。

  现在,也许只有心脏移植的病人才愿意花很多钱“享受”直升机医疗服务。未来,也许城市中严重车祸的伤者也可以被快速送往医院保住性命。

  这些都是可以承受较高成本来换取时间的机构。

  但日常避开交通通勤这事,在电池技术有什么突破之前是指望不上了。

我要爆料 免责声明 责任编辑:刘薇
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