菲利普斯:把多翼理想進行到底

萊特兄弟在1903年試飛的「飛行者一號」是雙翼飛機,早期飛機使用一層以上的機翼並不少見,雙翼機、三翼機或者四翼都有,但是飛機最多能擁有多少層機翼?

早期飛機中有許多都是雙翼機,這種設計主要目的是為了求得更大的升力面積,產生更大的升力,另一個好處是,雙翼加撐桿張線的結構比較堅固,能夠滿足飛機對於結構強度的要求。理論上,機翼越多自然面積就越大,升力也越大,但是讓飛機飛起來並不僅僅是升力夠大就行。歷史上,有一位航空先驅曾致力於用超多的機翼產生充沛的升力,他的飛機看起來像是老式房子上的百葉窗,但遺憾的是,如此多的機翼並沒有讓他的飛行夢想變成現實。這位先驅是英國人,叫做霍雷肖·弗雷德里克·菲利普斯(horatio frederick phillips)。

霍雷肖·弗雷德里克·菲利普斯(1845—1924)

彎曲翼型的實踐者

1845年,菲利普斯出生在倫敦郊外,他的父親是一個槍械工匠,小菲利普斯從小就對機械有着濃厚的興趣。當時飛行問題是許多科學家和工程師們竭盡全力尋求突破的重大科技問題,菲利普斯也對此熱情爆棚,他嚴密關注英國皇家航空學會利用旋轉臂和風洞進行的航空研究。研究來研究去,菲利普斯覺得皇家航空學會的進展太慢,認為自己能做得更好,於是他着手建造了自己的風洞親自開始試驗,此時他才不到40歲。

實驗中他發現,相對於平板翼型,帶彎曲弧度的翼型能產生更大的升力,如果再進一步,上表面彎曲程度大於下表面的機翼升力特性還能再進一步。喬治凱利早在19世紀初就提出過這一理論,但當時飛行先驅者們對此關注不多,菲利普斯的研究數據首次把這一理論以實證方式推到了前台,引起了全世界航空先驅的矚目。自那以後,幾乎所有飛行先驅都開始在自己的滑翔機或動力飛機上採用彎曲翼型,其中包括德國的李林塔爾、美國的蘭利和萊特兄弟。可以這麼說,菲利普斯的翼型研究幫了他們的大忙。

19世紀80年代,菲利普斯仔細研究了翼型與升力的關係。但是他過於痴迷於機翼的數量,對飛機的穩定性和控制問題則關注不多。從1893年起,他就開始製造一系列多翼飛機,最初是擁有50層機翼的燃煤飛機——每層機翼的翼型都不是隨意選擇,而是使用了菲利普斯的雙表面翼型專利設計。他設計的機翼十分狹長,展弦比高達1:152,50層這樣的機翼堆疊起來,雖然產生的升力不小,但是飛機的穩定性卻成了犧牲品。這架飛機是一架測試用機,並沒有載人飛行,應該說這一點還是有着科學的嚴謹性。菲利普斯打算用它來檢測自己獨創的機翼形式的升力特性。一番測試下來,菲利普斯發現這種機翼的承載能力可以達到400磅(180千克)。

1893年菲利普斯的50層機翼試驗機,這架飛機有動力但不載人,在環形軌道上測試。

威尼斯百葉窗的敗績

有了1893年測試飛機的樂觀結論墊底,菲利普斯開始着手打造真正可以載人飛行的飛機。11年後的1904年,他完成了自己的新飛機(1904年飛機)。這架1904型飛機機翼數量略有減少,改為20層,而且增加了十字形尾翼以提高穩定性,下面是三輪起落架。機翼的弦長(可以理解為寬度)仍然很小,只有10厘米左右,還是沒有擺脫百葉窗的魔咒。發動機也是菲利普斯自己打造的,驅動一副兩葉拉進式螺旋槳。測試的結果是令人遺憾的,飛機無法實現持續飛行,更談不上什麼操控性了。試驗顯示,飛機穩定性很差而且無法控制。最好的一次試飛,據說也只是跳躍飛行了15米(50英尺)。不過人們似乎沒有忘記這架飛機,1965年著名航空主題影片《飛行器里的好小伙》開篇部分,就出現了一架精心製作的菲利普斯1904型複製品。

1904年菲利普斯打造的20層機翼多翼載人飛機,由於只關注了升力而沒有解決穩定性和操控性,這架飛機只是跳躍飛行了15米。

1904型飛機的失敗沒有讓菲利普斯氣餒,他決心繼續嘗試。然而,他顯然沒有認識到前面失敗的關鍵原因所在,始終認為是升力不足導致飛機無法持續飛行,這直接導致他後面打造的1907型飛機使用了多達200副機翼,儼然密集恐怖症患者的噩夢。這架飛機配備一台22馬力(16千瓦)發動機,驅動一副7英尺(2.1米)螺旋槳,在1907年4月6日進行的測試中,據說實現了150米(500英尺)的飛行距離。儘管早在4年前,萊特兄弟的「飛行者一號」已經在美國實現了動力載人飛機首次成功飛行,但是菲利普斯這架百葉窗怪物仍然被視為是英國本土第一架飛起來的動力飛機。

1907年的200副機翼的菲利普斯飛機儼然百葉窗成精,但這架飛機也只能是飛得更遠一些,控制問題還是邁向成功的攔路虎。(王宇/繪)

能飛起來當然是飛機的必備特徵,但光是能飛起來還不足以成為一架好飛機。與當時那些常規設計飛機相比,菲利普斯的飛機除了外觀超凡脫俗甚至離經叛道外,性能卻無法和前者相比。菲利普斯反覆努力都無法改善飛行性能,眼看着越來越多的常規布局飛機成了社會的新寵,他最終無奈地放棄了載人飛機的設計工作。

1946年美國諾斯羅普公司在廣告里引用了佩利普斯的百葉窗式飛機,把這種失敗的嘗試作為起點,以表現諾斯羅普公司在機翼設計上的眾多創新,其中包括1929年的內支撐機翼、1932年的分裂式襟翼和1941年的收放式副翼,直到最後驚世駭俗的飛翼。

1965年著名航空影片《飛行器里的好小伙》開篇部分,就出現了一架精心製作的菲利普斯1904型複製品。