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飞艇

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飞船
现代的齐柏林飞船
航空器专题
单纯利用空气浮力(浮空器
无动力 动力
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无动力 动力
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其他
无动力 动力
现代的飞艇,附有广告看板的功能。
现代的飞艇,附有广告看板的功能。
1931年11月2日,正在飞行中的美国Akron号飞艇。
1931年11月2日,正在飞行中的美国Akron号飞艇。

飞船(英语:airship),又称飞艇(但“飞艇”亦可指另一种飞机飞行艇),是一种轻于空气的航空器,也是人类第一种可以受控进行自由飞行的航空器。一般具有一个巨大的气囊和推进、操纵系统。飞艇通过向艇体气囊中充入轻于空气的气体英语Lifting gas(如氦气等)升空,用发动机带动螺旋桨推动艇身,以艇尾尾面操纵航行方向。根据其材料结构的不同,飞艇可以分为硬式飞艇、软式飞艇和半硬式飞艇(半软式飞艇)。飞艇曾被广泛用于海上巡逻、反潜、远程轰炸和空运兵力,也曾作为一种空中民用交通工具19世纪末20世纪初风靡一时。飞机出现后飞艇的主要作用变为以观光为主的商业运输,并在现代广告业中发挥着重要作用[1]

结构和原理

飞艇一般由艇体、尾面、吊舱和推进装置等部分组成。其升空原理和气球相同,但可以进行有动力航行和操纵[1]

艇体

艇体内装有气囊,艇体本身一般呈流线型以减少航行时的空气阻力。软式和半软式的飞艇的艇体形状靠气囊内的气体压力维持。与气球一样,飞艇通过向气囊中充入密度小于空气的气体(如氢气氦气)来产生静浮力,从而获得能克服自身重量的升力升空。但由于氢气非常不稳定容易燃烧和爆炸,所以现代飞艇更多地使用氦气[1]

尾面

飞艇的尾面以安定面和操纵面组成,用来控制和保持飞艇的航向、俯仰和稳定[1]

吊舱

吊舱一般位于艇体的下方以保持稳定,通常采用骨架蒙皮式结构。除了用于人员乘坐外,还装载货物或压舱物、安装仪表和发动机等[1]

推进装置

飞艇的推进系统通常由航空发动机驱动的带有减速器的螺旋桨系统构成[1]

操纵方式

飞艇通过改变艇体内充的气体量、抛弃压舱物、利用艇体和尾面产生气动升力和改变推力或拉力来控制升降。通过尾面的操纵面或者可以转向的推进装置来控制航向[1]


飞艇的特性与优缺点

飞艇的特色是轻于空气,所以滞空时间不受到燃料的限制,故在经济和环保的原理上占优,而且既轻于空气所以不需要起飞和降落便可以开走靠港。由于飞艇浮力不太依靠动力,因此推进系统采用低功率的发动机或马达即可,不仅成本低而且也有低噪音的优点。它也很适合跟太阳能发电结合成为相当环保的空中运输工具。

但因为按表面积放大小于体积的原理,飞艇轻于空气的优点,要把其造得大才明显的。而庞大的体积造成空气阻力比飞机大得多的,实际飞艇的速度比重于空气的航空器中最慢的直升机双翼机还低,通常在每小时一百公里以下的,即使是宣称最快的齐柏林飞艇或现代飞艇都不超过都每小时一百四十公里。这个甚至慢于现代的汽车火车等陆上交通工具,仅比船舶快而己。在军事方面上,这种低空间效率的载具并不符合实用价值,而且庞大的体积匿踪效果非常糟糕,运用效益并不理想。

当然飞机成为首选运输工具也是由于它对风的敏感程度较低,而飞艇则不然。除了在大风中的机动和靠港问题,飞艇逆风和顺风飞行时间差异太大,甚至在侧风时因进行无侧滑飞行会使地速消耗殆尽。这些问题使得定期航班安排十分困难。

历史

飞艇是第一种可操纵并具有动力的航空器。在二十世纪初至1930年代间得到了较为广泛的应用。

先驱者

1785年Blanchard飞越英吉利海峡。
1785年Blanchard飞越英吉利海峡。
Dupuy de Lome1872年建造的可驾驶的气球。
Dupuy de Lome1872年建造的可驾驶的气球。

飞艇是第一种能够真正飞行的航空器,具有各种各样的设计,其飞行历史贯穿了整个19世纪。当时建造飞艇主要是为制造相对较小更易于操纵的气球而做出的尝试,这些飞艇的一些设计特点经常能在后来的飞艇上发现。这些早期飞艇创造了最早的航空纪录。

1784年,法国气球飞行员布朗夏尔法语Jean-Pierre Blanchard(Jean-Pierre Blanchard)将一个手动螺旋桨安装到了气球上,这是第一个被记录下来的空中搭载推进装置的方式。1785年,他使用了以可拍动的翅膀为推进器和以鸟状尾巴为舵的气球飞越了英吉利海峡

第一个做有动力飞行的人是法国的吉法尔法语Henri Giffard(Henri Giffard)。1852年,他用一个蒸汽动力的飞艇飞行了27公里(17英里)。

1863年,所罗门·安德鲁斯英语Solomon Andrews (inventor)(Solomon Andrews)博士设计了第一个完全可操纵的飞艇,然而这飞艇没有安装发动机。

1872年,法国海军设计师Dupuy de Lome放飞了一个巨大的可有限操纵飞行的气球,由一个巨大的螺旋桨和八个人的力量来驱动。这个气球建造于普法战争期间,是一项对用于巴黎和郊区之间通讯气球的改进,当时巴黎处在德国军队的包围之中。但这个气球在战争结束后才完成。

1878年,Charles F. Ritchel用他的人力驱动单人硬式飞艇做了一次公开表演飞行,然后又继续建造并出售了5架。

1879年,Paul Haenlein在维也纳使用安装了一台内燃机的飞艇做了系留飞行,这是第一次使用内燃机作为航空器的动力。

1880年,Karl Wölfert和Ernst Georg August Baumgarten试图用一架动力驱动的飞艇做自由飞行,但不幸坠毁。

1880年,塞尔维亚人Ogneslav Kostovic Stepanovic也设计并建造了一架飞艇。然而这架飞艇在飞行前毁于火灾。

1883年,Gaston Tissandier做了第一次电力驱动飞行,他在飞艇上安装了一台1.5马力的西门子电动马达。1884年,Charles Renard和Arthur Krebs在一个法国军用飞艇上进行了首次可完全操纵的自由飞行。这架170英尺长、66,000立方英尺的飞艇在一台8.5马力的电动马达的帮助下,用23分钟飞越了8公里(5英里)的距离。

1888年,Wölfert在Seelburg使用Daimler制造的汽油发动机驱动飞艇进行了飞行。

1896年,克罗地亚工程师David Schwarz制造的一架硬式飞艇在柏林的Tempelhof机场做了首次飞行。Schwarz去世后,他的妻子Melanie Schwarz得到了齐柏林(Ferdinand von Zeppelin)伯爵为该飞艇的资料支付的15,000马克。

1899年,华侨谢缵泰在香港设计完成了“中国号”电动飞艇,备有详细设计图纸资料,是中国最早的飞艇设计[2]

1901年,Alberto Santos-Dumont用他的六号飞艇(一个小型软式飞艇)获得了100,000法郎的Deutsch de la Meurthe奖金,在30分钟内从Parc Saint Cloud飞到埃菲尔铁塔然后再返回到出发点。许多发明者为Santos Dumont的小飞艇所鼓舞,一个不折不扣的飞艇热在世界范围内蔓延开来。许多飞艇先驱,例如美国的Thomas Scott Baldwin,通过载客飞行和公开表演飞行来获得活动资金。其他的如Walter Wellman与Melvin Vaniman则瞄准更高的目标,在1907年和1909年两次尝试极地飞行,在1910年和1912年两次尝试飞越大西洋

“飞艇金色时代”的开始也以1900年7月Luftschiff Zeppelin LZ1号的起飞为标志,它导致了这个时代最成功的一系列飞艇的诞生。这些齐柏林飞艇是按照齐柏林伯爵的名字命名的。齐柏林伯爵在十九世纪九十年代开始试验硬式飞艇设计,获得了一些专利,以及LZ1(1900)和LZ2(1906)。第一次世界大战初期,齐柏林飞艇已经有了圆柱形铝合金骨架和布蒙皮覆盖的机壳,在机壳内有一些独立的气室。有多个平板式尾鳍用于操纵和保持稳定,两台发动机和机组舱悬挂在机壳下面通过长驱动轴驱动安装在机身两侧的螺旋桨。另外还有一个客舱(后来的炸弹舱)位于两个机组舱中间。

第一次世界大战

建造中的USS Shenandoah (ZR-1),1923年
建造中的USS Shenandoah (ZR-1),1923年

将飞艇用作炸弹载具的前景在飞艇能够胜任这项任务之前,就已经在欧洲得到了很好的认识。H. G. Wells在The War in the Air(1908)一书中就描写了整个舰队和城市被摧毁的景象。一些不太知名的英国作家还在作品中宣称飞艇已经永远地改变了世界事务的面貌。1912年3月5日,意大利军队首次将飞艇用于军事目的,侦察位于土耳其军队防线后方的的黎波里西部地区。第一次世界大战标志着飞艇作为武器真正地首次亮相。

齐柏林伯爵和其他德国军界人士都认为他们已经发现了可用来对抗英国海军的优势和打击英国本土的理想武器。更多比较实际的飞艇拥护者认为齐柏林飞艇对海军来说是非常有价值的远距离侦察和攻击工具。1914年底开始的攻击在1915年达到了第一个高峰,1917年后停止。实战证明,齐柏林飞艇是可怕的但并不精确的武器。即使在最好的条件下,航行、目标选择和投弹瞄准仍很困难。由于在执行任务时经常遭遇黑夜、高高度和云,这进一步降低了它们的精度。整个战争过程中,齐柏林飞艇造成的物质破坏是微不足道的,导致的阵亡人数总计至多几百人。同时还证明,飞艇容易受到其他航空器和防空炮火的攻击,特别是那些配备了燃烧弹的。有几架被英国的防卫部队击落并起火,其他的则坠毁在航路上。回想起来,那些海军侦察角色的拥护者们是对的,从士气、人员和物资的角度来说,向陆地上投掷炸弹的作战损失惨重。许多德国飞艇先驱勇敢但又毫无价值地在执行这些宣传任务时阵亡。而且他们的行动还引起了英国皇家海军航空兵的注意,导致生产厂房被炸。

USS Akron飞越曼哈顿上空,1932年前后
USS Akron飞越曼哈顿上空,1932年前后

同时,英国皇家海军也认识到在沿海水域使用小型飞艇对抗潜艇威胁的必要性,并于1915年2月开始部署SS(海上侦察)级软式小型飞艇。它们都有一个6万到7万立方英尺的气囊,并且首次使用了带有抛光的机翼和尾翼的标准单发飞机(BE2C,Maurice Farman,Armstrong FK)。最终,更多带有特殊设计吊舱的高级软式小型飞艇得以发展,其中包括C(海岸)、C*(海岸之星)、NS(北海)、SSP(海洋侦察者)、SSZ(海洋侦察零)、SSE(海洋侦察试验)和SST(海洋侦察双子)级。在解决了早期的一些问题之后,NS级成为当时英国使用的最大最好的飞艇。这些飞艇具有36万立方英尺的气囊,10名机组成员,24小时的续航时间。可装载6个230磅的炸弹,以及3到5挺机枪。英国的飞艇被用于侦察、排雷和反潜任务。战争期间,英国人建造了超过225架非硬式飞艇,其中有几架卖给了俄罗斯、法国、美国和意大利。然后英国从意大利购买了一架M型半硬式飞艇,但一直推迟到1918年才交付使用。8架硬式飞艇在停战时才建造完毕,尽管更多的几个在战争末期完成的。大量训练有素的机组人员、低损耗率和操纵技术方面不断的试验意味着在战争末期,英国已经成为世界上非硬式飞艇技术的领先者。

一战末期,飞机已经从根本上取代了飞艇作为轰炸机的地位。而德国剩余的齐柏林飞艇被或其机组人员破坏、或废弃或送交给盟军作为战利品。

美国海军齐柏林飞艇ZRS-5 "USS Macon"飞越Moffett机场,1933年
美国海军齐柏林飞艇ZRS-5 "USS Macon"飞越Moffett机场,1933年

两战间歇期间

使用齐柏林式方法制造的飞艇有时也被称为齐柏林飞艇,即使它们和齐柏林没有直接联系。这类飞艇有几个是二十世纪二三十年代在美国和英国制造的,基本是根据第一次世界大战期间坠毁或俘获的德国飞艇的齐柏林原始设计来仿制的。

例如,英国R33和R34就是与德国L-33几乎一模一样的复制品。L-33于1916年9月24日坠毁于约克郡,但事实上完好无损。尽管在它们在1919年首飞时几乎已经过时了三年,但这两个姊妹艇却是在英国服役的最成功的飞艇。1919年7月2日,R34开始了第一次航空器双向横跨大西洋的活动。在经过108小时的空中飞行后,于1919年7月6日着陆在美国长岛的Mineola。由于系留在野外的缘故,回程跨越7月8日开始,花了75小时。英国领导人开始考虑用飞艇来连接其广布的殖民地,但是不幸的是战后经济条件导致大多数飞艇被废弃,并且训练有素的人员也被遣散。直到R-100和R-101于1929年开始建造,这个情况才有所改变。

另一个例子是1923年首飞的美制第一架硬式飞艇谢南多厄,此时洛杉矶号也正在建造中。这架飞艇于8月20日在新泽西州Lakehurst命名,并第一次使用惰性气体氦进行充气。这种气体在当时是非常稀有的,谢南多厄号将世界上储备的大部分氦气都给填充了进去。所以当洛杉矶号交付使用时,它最初填充的是从谢南多厄号借来的氦气。

洛杉矶号的成功鼓舞美国海军投资建造更大的飞艇。此时,德国正在建造齐柏林伯爵号,计划成为第一艘新级别的载客飞艇。有趣的是,齐柏林伯爵使用未加压的纯净水煤气(类似于丙烷)作为燃料。由于水煤气的密度与空气接近,所以这种飞艇可以避免因使用燃料造成的重量变化。

最初,飞艇获得了巨大成功,并创造了令人印象深刻的安全记录。例如,齐柏林伯爵飞行超过一百万英里(包括第一次环球飞行)没有乘客伤亡。飞艇机队的壮大和飞艇设计者不断增长的自信逐渐使飞艇方向受到了彻底的限制,而且初期的成功也被一系列硬式飞艇事故所取代。

飞艇发展的“灾变说”将责任很大程度上归因于二十世纪二三十年代的那个喜欢使用耸人听闻手法的新闻界,它忽略了象齐柏林伯爵、R100和洛杉矶号那样成功的飞艇。最严重的那些灾难——R-101、艇谢南多厄、USS Akron 和兴登堡号都在一定程度上是在飞艇建造和飞行程序中政治干预的结果。

救援人员爬过英国R-38/USN ZR-2飞艇的残骸,1921年8月24日
救援人员爬过英国R-38/USN ZR-2飞艇的残骸,1921年8月24日

美国海军曾考虑将飞艇用作“飞行的航空器母舰”。在有宽阔的海洋保护其国家的情况下,设想飞艇编队能够迅速跨越海洋和国家运送战斗机编队去打击正在靠近的敌人。然而,这是一个很激进的理念,并且在海军的传统管理层中可能不会获得太多的支持。可是他们的确建造了USS Akron和USS Macon去验证这一理念。

每个飞艇在其内部载有四架F9C战斗机,并在所谓的“着陆机库”中载有第五架。或许由于脆弱的飞艇很容易被意外损毁,最终决定不再进一步追随这个理念。

洛杉矶号(ZR-3)成功飞行了8年,但最终美国海军因事故失去了其全部三架美制硬式飞艇。谢南多厄(ZR-1)于1925年9月3日在一次计划欠周的宣传飞行中,在俄亥俄州诺布尔县县上空进入严重的雷暴区后解体,14名机组成员丧生。USS Akron (ZRS-4)于1933年4月3日新泽西附近海面上空,进入了微下击暴流,导致坠毁在海上。由于USS Akron (ZRS-4)上没有救生筏和救生衣,76名机组成员中有73名因溺水或体温过低而丧生。USS Macon (ZRS-5)于1935年2月12日在加利福尼亚Point Sur附近海面上,其上鳍结构失效导致解体。83名机组成员中仅有2名在坠毁中丧生。这要归功于在Akron号灾难后,这架飞艇上装备了救生衣和充气筏。

英国在1930年10月5日也经历了自己的飞艇灾难。当时R-101,一架在那个时代相当先进的飞艇,在还没有准备好时就匆忙完工并飞往印度,中途坠毁在法国,54名机上人员中48人丧生。因为关于坠毁的不利宣传,空军部于1930年停飞了R100,1931年将其当废品卖掉;尽管这架拥有不同设计的R100已经成功完成了横跨大西洋的处女航。

兴登堡号—失火后的瞬间,1937年5月6日
兴登堡号—失火后的瞬间,1937年5月6日

然而,最引人注目和广为铭记的飞艇事故是1937年5月6日的兴登堡号火灾,结果导致公众对飞艇的信任彻底消失,转而喜欢更快、成本效率更好的飞机(尽管能量效率较差)。当时艇上97人中36人丧生:13名乘客、22名机组成员和1名美国地勤人员。

第二次世界大战

当德国决定在即将到来的战争中不再将飞艇用于军事目的并集中精力发展飞机时,美国仍继续进行一个军用飞艇建造项目,尽管它并没有一个明确的关于飞艇使用的军用条例。日本人袭击珍珠港(1941年12月7日)并将美国拖进二战时,美国共有10架非硬式飞艇,其中包括:

  • 4架K级: K-2、K-3、K-4和K-5,1938年开始设计,用于侦察目的。
  • 3架L级: L-1、L-2和L-3,用作小型训练飞艇,1938年起开始制造。
  • 1架G级建于1936年,用于训练目的。
  • 2架TC级是为陆军设计的老式侦察用飞艇,生产于1933年。1938年,美国海军从陆军那里得到了这些飞艇。

只有K级和TC级飞艇能用于战斗,并且很快它们就被用于打击日本和德国的潜艇,当时那些潜艇在美国沿海目视范围内袭击运输船队。美国海军指挥官想起第一次世界大战时飞艇反潜的成功,于是立即要求配备新的现代化反潜飞艇,并于1942年1月2日组建了ZP-12巡逻队,基地设在Lakehurst,由4架K级飞艇组成。一个月后,又由2架TC级和2架L级飞行组建了ZP-32巡逻队,基地在加利福尼亚森尼韦尔的美国海军Moffet军事基地。一个飞艇训练基地也建在那里。

1942至1944年间,在军用飞艇机组训练项目中大约有1400名飞艇驾驶员和3000名辅助机组人员受训,并且飞艇军事人员由430名增加到12400名。美国飞艇是由位于俄亥俄州阿克伦市的固特异工厂生产。从1942直至1945年,为美国海军生产了154架飞艇,其中133架K级,10架L级,7架G级和4架M级。另有5架是为民用顾客生产的,序列号为L-4到L-8。

飞艇的主要任务是在美国沿海巡逻和护航。它们也用作护航指挥中心,指挥船只的运动,并且还在进行海上搜索救援任务时使用。比较少见的任务还有空中摄影和侦察、海上布雷和排雷、伞兵运输和部署、货物和人员运输。据信,它们在执行任务时非常成功,在所有美国空中部队中拥有最高的出勤率,达到了87%。

在战争期间约532艘舰只被潜艇击沉。然而,约89,000有飞艇护航的舰只没有一艘被击沉。飞艇使用深水炸弹与潜艇作战,偶尔也使用其他机载武器。它们能够追逐速度较慢的潜艇并进行轰炸直至将潜艇炸毁。另外处在水下的潜艇没有办法发现飞艇的接近。

战争期间只有一架飞艇被德国潜艇击落。1943年7月18日至19日夜间,一架来自ZP-21的K级飞艇K-74正在佛罗里达的海岸线巡逻。这架飞艇使用雷达发现了漂浮在海面上的一艘德国潜艇。K-74号飞艇实施攻击行动,但德国潜艇率先开火。当飞过潜艇时,K-74上的深水炸弹没有投下,并且自己受到了严重损坏,气囊破损失压,失去了一台发动机,最后在水上着陆,没有人员丧生。早晨,机组被巡逻艇救起,但一名机组成员死于鲨鱼攻击。德国潜艇U-134已损坏但不严重。第二天又遭到飞机攻击,连续的损坏迫使它不得不返回基地。最终这艘潜艇于1943年8月24日,在西班牙维戈附近被英国飞机击沉。

一些美国飞艇参加了欧洲的战斗。ZP-14分队自1944年6月起在地中海区域执行任务,彻底封锁了直布罗陀海峡,使得轴心国潜艇无法通过。ZP-12分队的飞艇于1945年5月6日参加了在德国投降之前的击沉最后一艘潜艇U-881的行动。此役还击沉了驱逐舰Atherton和Mobery。

前苏联在战争期间使用了一艘飞艇。该艇W-12建于1939年,1942年服役用于伞兵训练和装备运输。到1945年共飞行1432次,运送了300吨货物。1945年2月1日,前苏联建造了第二架飞艇(“成功”级),用于扫雷和黑海的残骸清理工作,后于1947年1月21日坠毁。另一架W级飞艇W-12“爱国者”于1947年服役,主要用于机组训练、阅兵和宣传。

战后

“登空者10号(英语:Hybrid Air Vehicles HAV 304/Airlander 10)”飞艇。
登空者10号英语Hybrid Air Vehicles HAV 304/Airlander 10”飞艇。

洛克希德·马丁公司的先进发展工程部(臭鼬工程部)早在2000年之前就开始秘密启动混合型大型飞艇的研制项目,目前已经制造了一种原形飞艇,称为P-791,并在2007年1月31日进行了首飞,飞行了5分钟,成功地完成绕场一周的飞行,但是关于它的设计细节仍处于保密之中。[来源请求]

1990年代,洛克希德·马丁公司的死对头诺斯洛普·格鲁门和英国混合航空器公司英语Hybrid Air Vehicles合作研制了HAV-3飞艇,准备参加美军“长时间滞空多用途飞行器”的竞标。但是后来美军取消了这个项目,于是复合航空器公司从诺斯洛普·格鲁门手上买断了HAV-3飞艇的所有权,放气后运回英国贝德福德郡卡丁顿空军基地英语RAF Cardington,改装成民用飞艇,取名“登空者10号英语Hybrid Air Vehicles HAV 304/Airlander 10[3][4]

中国载重60吨级的“金雕”系列飞艇是中航工业通飞所属单位中航工业特飞所/中航通飞研究院针对航空市场需求开发的系列化产品,目前已形成了成熟的科研、生产和飞行服务体系。 该产品采用氦气提供升空浮力,由艇体结构、压力调节系统、飞行控制系统、动力系统组成。[5]

参考文献

引用

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 谢础、贾玉红、黄俊、吴永康. 航空航天技术概论 第2版. 北京航空航天大学出版社. 2008: 4. ISBN 978-7-81124-428-1. 
  2. ^ ,谢础, 贾玉红, 黄俊, 吴永康. 航空航天技术概论(第2版). 北京航空航天大学出版社. 2008: 13. ISBN 978-7-81124-428-1. 
  3. ^ Richard Westcott. World's longest aircraft is unveiled in UK. BBC.com. 英国广播公司. 2014-02-28 [2018-04-25]. 
  4. ^ 最大飞艇修理后再出发 将第3次试飞. 中时电子报. 2017-02-11 [2017-07-26]. 
  5. ^ Chinese 60 ton airship. AirForceWorld.com. [10 Oct 2015]. (原始内容存档于2015-10-16). 

来源

参见

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飞艇
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