當戰鬥機設計師放飛自我,點亮萌系科技後會產生何種奇怪畫風呢?

顏值即為戰鬥力,長得好看的武器一定很能打

——東方神秘力量

一般來說,顏值一直不是評判一款武器戰鬥力的有效參數但局座這麼一說後,在下發覺好像確實是這麼個理不過,就不在這舉例了,以免喧賓奪主就不太好了(拿KV—2當反面教材,敢說我大神教不帥的,你需要一發社會主義152的洗禮......)

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作為一個臉盲,在下一直不知道這麼來判定一款武器的顏值,但如果以主流審美來定義的話,今天在下介紹的這兩款戰機可能就要打破局座的命題了,但要是“萌”也能稱作一種美的話,在下只能說:局座NB!

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好,閒話不多說,咱現在開講。

飛行酒桶——卡普羅尼飛機

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長久以來,二戰牆頭草意大利“戰五渣”+“豬隊友”+“純搞笑”的形象深入人心,似乎已經是無可更改了。那麼歷史上真實的意大利是否真是如此呢?如果僅僅是看戰場表現,這麼講是沒錯的——打埃塞俄比亞這個非洲鹹魚都老費勁了,不是渣渣又是啥呢?

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但如果把視野放寬一些,我們就會發現,近現代歷史中的意大利其實並不是那樣不堪,而且很多方面還曾走在世界前列,一度也是掌握過“核心科技”的國家。今天給大家介紹的“飛行酒桶”——斯蒂帕•卡普羅尼飛機(Stipa-Caproni)就是這樣一個例子,別看它萌聲在外,憨態可掬,其實也可算得上航空先驅之一了,為什麼這樣講呢?且聽分解。

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這姿勢,這動作,妥妥漫畫風

這架呆萌飛機的故事還要從四個人說起。第一個人是雅克•施耐德(JacquesSchneider),法國富翁,同時也是氣球和航空的狂熱愛好者,自己曾創下過10,081米的氣球升空世界紀錄,只是此君運氣欠佳,後來在一次事故中受傷嚴重,元氣大傷,從此只能告別飛行了。但心繫藍天的施耐德並不打算退出航空界的江湖,不能親自上陣了,錢還是有的嘛! 1912年12月5日,他在法國航空俱樂部設立了一項以自己名字命名的“施耐德杯”水上飛機競賽項目 (Schneider Trophy),目的是為促進民用航空技術的發展。

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雅克•施耐德和競賽獎盃

參賽者需要飛行至少240公里,主要內容就是比速度,看誰飛得快。優勝者將會獲得25000金法郎和一座同樣價值的獎盃。如果一個國家在五年內三奪冠軍,將永久保留獎盃——有點懷疑足球世界盃就是跟這個學的。此項賽事於1913年在摩納哥首次舉行,後來因一戰爆發而暫停,後於1919年恢復,到1931年為止共舉辦了9屆,這項賽事也成為兩戰之間歐洲各國“航空秀”的主要場所,的確起到了促進航空技術發展的作用。

第二個人是喬瓦尼•巴蒂斯塔•卡普羅尼(Giovanni BattistaCaproni),這個拗口的意大利名字你可能沒聽說過,但在宮崎駿執導的動漫作品《起風了》中,這位卡普羅尼多次出現在主角堀越二郎的夢境裡,是堀越二郎夢想的啟發者。

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《起風了》中的卡普羅尼

能在這部動漫中扮演這麼一個“啟示者”的角色,從側面說明卡普羅尼絕非等閒之輩——他生於1886年,是慕尼黑工業大學和列日大學的畢業生,擁有土木學學士和電機學博士學位,是土木和航空工程師,並於1908年創建了以自己命名的卡普羅尼航空公司,並設計了意大利第一架雙翼機“卡普羅尼 Ca. 1”,以及在一戰中使用的早期轟炸機“卡普羅尼 Ca.4”。這些成就使他成為意大利航空事業的開拓者,稱之為意大利的萊特也不為過。

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真實的卡普羅尼

第三個人就是這架萌飛機的“父親”——路易吉•斯蒂帕(Luigi Stipa)了,這位在1900年出生於意大利阿斯科利皮切諾的飛機設計師曾在一戰中當過步兵,戰爭場面那可是見得多了,戰爭結束後進入意大利空軍部工作,最後當上了發動機部門的總監。同時他還是土木工程師和水力工程師,也是一位跨領域的多面手。

最後一個人物就是墨索里尼了,這位意大利的法西斯獨裁者論打仗不行,把元首坑得不淺,但要說到搞面子工程嘛,水平還是可以的。在他統治時期意大利隊創造了世界盃歷史上迄今為止唯一的衛冕紀錄就是一個例子——為了能衛冕成功,他楞是把世界各地只要跟意大利沾親帶故的優秀球員挖來了不少。在展示意大利科技水平“世界領先”方面,墨索里尼也是不遺餘力,但凡能“揚我意呆利國威”之事,肯定是大力支持,這架小萌貨能飛上天,也有他的“功勞”。

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事情是這樣滴,法國富翁施耐德創立的杯賽以其豐厚的獎金和影響力吸引了各國徒手積極參加,意大利首次參與是在1919年的第三屆。要說意大利人的運氣確實不錯,首次參賽就不戰而勝,因為對手的飛機全部由於故障而退出了。但這樣的不武之勝難以服眾,最後雖然被判獲勝,卻不能獲得獎盃,只能得到下屆舉辦權的榮譽。心有不甘的意大利人又參加了接下來的兩屆,結果依然是運氣出奇地好——英法等強手不是因為財政問題就是因為故障而退出,意大利居然連奪兩屆冠軍,再奪一次就能“永保獎盃”了。然而好運不過三,意大利在接下來的幾屆接連敗北,直到1926年,才真正獲得了一次貨真價實的冠軍。

曾為意大利奪冠的馬基公司M.C.72,這是一架非常漂亮的流線形共軸反槳飛機,飛出了746公里/小時的速度,這也是迄今為止活塞式水上飛機的世界紀錄,顯示了當年意大利還是相當有些航空實力的

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這次奪冠重新燃起了意大利航空界以五年三冠來“永保獎盃”的熱情,墨索里尼知道這個賽事是“揚國威”的大好時機,下令調動一切資源保證奪冠,各種條件都向有可能造出冠軍飛機的廠商傾斜。這種“舉國體制“使意大利航空產業一時間繁榮起來,各大航空企業都琢磨著怎樣才能在速度競賽中勝出。此時,怪才斯蒂帕就開始琢磨了,他分析了當時飛機的速度和發動機功率以及外形之間的聯繫,發現在飛機外形已經無可挑剔的情況下,發動機功率的邊際效應隨功率的提升越來越小。打個比方,功率提高一倍,速度可能只是漲了50%,再提高一倍,速度可能就只漲10%了……如此循環下去,飛行速度的提升將越來越慢,而發動機功率又不可能無限大,所以必須從原理和飛機構造這些根本問題上加以解決。

在當時活塞式發動機的驅動下,800公里/小時的速度幾乎就是極限了。之所以速度上不去,是因為要再提速就得加大轉速,此時的螺旋槳槳尖處的線速度已經接近聲速,要產生激波了。在這種情況下,螺旋槳遇到的阻力將會劇增,給人的感覺就是螺旋槳突然就像轉不動了一樣,很多飛機遭遇這種現象都會失事,這就是航空史上著名的“音障”難題。在活塞機時代,要解決這個問題,就得想法在不提高轉速或者減小螺旋槳的直徑(這樣槳尖的線速度就慢下來了,同時還減小了迎風面積,起到了減阻作用)的情況下增加驅動力。

斯蒂帕把中空的機身設計先收縮再擴張,這種構造可以在入口流速接近聲速時在尾部噴出超聲速氣流獲得反推力(今天噴氣機的尾噴管多是這樣)。機身縱截面被設計成機翼形狀,機身也能產生升力,這也是今日高大上的“環形機翼”概念之源

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斯蒂帕正是循著這樣的思路來設計的,他的理論依據是流體力學中著名的“伯努利方程”,簡單地講,就是“流動面積小,流速大,流動面積大,流速小”、“流速大壓力小,流速小壓力大”,其實機翼產生升力也是這個道理(現高中物理知識)。斯蒂帕以他多年從事流體工程方面的工作經驗為基礎,在進行了數學推算後,設計了一種機身中空,發動機內置的奇特結構,以期能大幅提高飛行速度。按照他的設想,由於機身能獲得額外的推力和升力,就可以使用較小的螺旋槳來推進,機翼也可以適當縮小,這樣飛機的迎風面積實際上是小多了,能起到提速的作用,這種結構也被稱之為“涵道推進”。

由於是從零開始的新飛機,所以全部由工人手工製作,真的就像在造一個大酒桶一樣,可以看到水平舵和垂直舵呈十字形安裝尾部開口後,由於機身已經沒有傳統座艙的空間,只能讓飛行員“騎”在“酒桶”上面了

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斯蒂帕在意大利航空刊物《航空技術》(Rivista Aeronautica)上發表了這個很有想象力的設計,並建議製造一架試驗機來驗證他的設計。為了宣揚意大利航空技術方面的“國際領先”成就,同時也出於發展航空技術考慮,當時統治意大利的墨索里尼政府批准了這一項目,並全力保障,於1932年與卡普羅尼航空公司簽約建造試驗機。經過幾個月的努力,1932年3月,這架以兩位設計師的名字命名為斯蒂帕•卡普羅尼(Stipa-Caproni)、並且是當時比較少見的單翼造型飛機(因為機身也產生升力,所以用不著上雙翼)製造完成,就等著上天了。

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1932年6月的一天,在一片懷疑的目光中,這架粗胖的飛機搖晃著飛上藍天,但這只是成功了一小半,因為最重要的速度指標根本就達不到當初設想的那樣,最大飛行速度也只有131公里/小時,一般情況下只有68公里/時,就比地上的汽車快一些而已,當然優點也不是沒有——噪音小,比較安靜,但這並不是斯蒂帕想要的結果。

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正前方看只是一個環,但斜著看就有一個面了——迎風面積大抵就是這樣,另外不可收放的起落架也增添了不少阻力

問題出在哪裡呢?首先是動力,這架被設計來高速飛行的飛機,卻安裝了一個120馬力的發動機,只相當於今天一輛家用轎車的水平。為什麼只給“高速飛機”安了個小馬達呢?今天猜測一下,這可能是因為無論是設計師還是航空公司,都是求穩,覺得可以選裝個小引擎“試”一下。但是這一試不要緊,因為低速下的氣體流動規律迥異於高速飛行狀態,收縮部和擴張部的壓力基本上抵消掉了,達不到設想中的“高速”工況。

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這東西只能叫馬達

卡普羅尼•坎皮尼N.1外表很“噴氣”,內裡有“活塞”,這種“雜交”組合註定了它其實沒有真正的實用性。

在意大利,卡普羅尼公司並不願意把斯蒂帕的設計就這樣束之高閣,而是打算繼續發展——在1940年,使用“活塞噴氣發動機”的卡普羅尼•坎皮尼N.1(Caproni Campini)出現了。這一次卡普羅尼公司吸取了教訓,把機身直徑縮小到正常範圍,肚子裡還是塞了一臺活塞發動機,但這樣肯定動力不夠啊,於是又在機身後面加上了燃燒室,向後噴氣以增加推力(如果燃燒室不工作,那麼這就是一個細長版的斯蒂帕•卡普羅尼飛機),這樣一來前面的活塞引擎實際上成了一臺壓氣機——意大利人一不小心已經摸到了噴氣時代的大門,它也成為世界上第二架噴氣式飛機(第一是德國1939年試飛成功的He178,),但與它的前輩斯蒂帕•卡普羅尼一樣,最終也只是成為“創紀錄”的工具,因為它仍然是“慢就一個字”——375公里/小時的速度連當時的純活塞機都不如。

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現代“涵道推進”實質上是做了改進的,只使用了斯蒂帕設計的前半截,也就是隻有收縮段,自然也只能用於低速推進

不過我們並不能因此嘲笑當年的意大利人,雖然今天都知道突破聲障要用噴氣式發動機、蜂腰外形加後掠翼,但這些都是事後諸葛亮了,倘若沒有前人的摸索試錯,也不可能有航空技術後來的突飛猛進——如果回頭翻翻科技史,就會發現,科學探索多以失敗或被證偽而告終,因為正確的只有一個,而探索的路徑有無數條,成功的概率實在太低了,所以我們得對那些失敗的先驅們致以敬意。就“涵道推進”這一技術來講,其實也不算失敗,雖然被證明不能用於高速推進,但其結構已經接近後來的渦扇發動機(斯蒂帕的設計加上個渦噴差不多就是了),航空史學界一般也認為斯蒂帕是這方面的先驅人物。另外,不能用於高速推進,低速還是可以用的——在今天的船舶、飛艇、直升機和氣墊船上,涵道推進仍然是被大量使用的實用技術,在一些很“科幻”的飛行汽車和單人飛行器作品上,也能看到當年斯蒂帕的影子。

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這些都是“酒桶”後輩

後來澳大利亞以3/5的比例,製作了一架複製品。並進行了測試,測試結果和70多年前基本相同。現在這架複製品在澳大利亞展示。

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這是“酒桶”本來的發展構想

飛行薄餅——F5U

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二戰中,美軍海軍航空兵希望擁有一種可以短距起飛,但又能高速飛行,且機動靈活的艦載機。(這要求還真不低......)短距起飛是為在極端情況下也能在航母上起飛,高速與機動其實就是為暴揍本子的蛋戰(零式戰機家族)。

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1941年,沃特公司開始製造飛行薄餅的全尺寸樣機,使用木/織物結構製作。原型機代號V-173,沃特公司試飛員布恩.T.蓋唐在1942年11月23日作了首次飛行。在200多次的試飛中,V-173證明了齊默爾曼設想是正確的,V-173的失速速度極低,正常飛行中幾乎不可能失速或進入尾旋。

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在V-173的成功鼓舞下,1944年美國海軍出資建造兩架XF5U-1原型機。1945年8月,機身製造完畢。原型機蒙皮使用了一項稱為“輕金屬”的新型蒙皮,基本結構是在兩層鋁中夾入一層西印度輕木。由於特殊的變距螺旋槳的延誤,直到1947年才完成原型機的製造。

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與V-173設計的扭矩減小的反向旋轉螺旋槳不同的是,完成的戰鬥機所設想的螺旋槳具有內置的循環運動,如直升機的主旋翼,其移動其升力中心的能力非常有限向上和向下,以幫助飛機在機動。安裝了一個彈射座,以允許飛行員在飛機緊急情況下清除巨型螺旋槳。雖然原型是沒有武裝的,但在鼻子下安裝了機槍和機炮炮組合武器座,可以安裝6×0.50機槍或4×20毫米炮

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F5U的失速速度可以達到40mp/h,也就是64km/h左右,說實在咱們高速上的速度都可能比這個快不少,所以這個戰鬥機有著極低的滑跑距離,因為只要有了64km/h以上的速度他就飛了;而且在狗鬥中隨著各種水平垂直機動,飛機的存速也會下降,F5U可以到64還不失速,別的飛機再繞繞再爬爬也許就失速了,然後就等著死吧。所以,極低的失速速度是F5U的最大優勢。但F5U的高速一點都不弱,測試中的最快飛行速度達765公里/小時,作為對比P—51“野馬”的極限速度也不過是708千米/小時。所以說,就速度來看,F5U有資格稱為最強!

當戰鬥機設計師放飛自我,點亮萌系科技後會產生何種奇怪畫風呢?

然而,飛行薄餅哪都好,唯一不好的就是它出生的太晚了,等到1947年第一架生產型的飛行薄餅出廠的時候,二戰已經結束了兩年,那個時候美蘇兩國都從德國得到了噴氣式發動機這種德國的末日科技,而螺旋槳飛機的潛力基本上已經被開發到極限,美國海軍表示老子不要螺旋槳飛機,於是,生產出來的兩架飛行薄餅很快就被送進了博物館,提前退役了。

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而唯一生產出來的生產型XF5U-1則遭受了極其殘忍的毀滅, 在康涅狄格州工廠進行的碰撞試驗證明了它可怕的結構強度,需要動用到wrecking ball(也就是掛在起重機上實心鐵球)才能將XF5U-1完全摧毀。(也從側面證明了這飛機有多靠譜)


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