繁忙的空天——大航空时代(三)第四十六章 神扇迷津

风洞,一般就是指风洞实验室,是人为产生气流,用来模拟飞行器等实体周围气体的流动情况,进行观察测量物理现象的一种管道状实验设备,它是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。新中国成立后北面苏修重兵压境,沿海又受到美帝威胁,于是国家布局大三线建设,重要单位都迁向西南内地,航空部门更是重中之重。当时在西南大山中建立庞大的风洞群,东北的则成了前线。现在,距边境仅三十多公里的地方建立风洞基地,这足以证明中国的自信,任人欺凌的时代已经一去不复返了。

大家进入天启风洞基地后,姚文博总师早已等在那了,大家握手寒暄。

“姚洞主,今天准备了什么宝贝让我们大开眼界呀?”赵总师幽默了一把。

“呵呵,全都是宝贝呀。” 姚总师自豪地说道,“这是一个综合性的风洞基地… … ”

大家边走边唠,姚总师给大家介绍风洞基地里面各处情况。这里有飞行汽车专用的低速风洞,也有为飞机的高速风洞,还有一个综合性风洞。当大家来到这个风洞时,姚总师介绍到:“这个综合性风洞不仅能吹气流观测,它还是一个实况模拟实验室。”

大家走了进去,姚总师指着室内那长长的滑轨说道:“这就是飞行实际模拟装置,小胡,给大家介绍介绍。” 姚总师对着正在忙活的几个小年轻说道,大家停下了手中的活,其中戴眼镜的胡天辰走了过来。

“欢迎各位领导来视察。”小伙子很兴奋,“这是我们的综合性风洞实验室,不仅能进行普通的风洞实验,还能还原实际情景,模拟现实情况进行测试。大家看…”

小胡指着长长的滑轨和上面的滑车说道:“这是高压蒸汽运动模型推进系统,风洞内空气可以调出不同海拔下的密度湿度,风速,模拟真实的飞行环境。模型在滑车上被高压蒸汽推动下,能模拟出不同的加速度和不同的匀速运动,并可进行跨音速模拟,先进的电子设备可以精确观测到模型的实时状态指标。”

在小胡的示意下其他几位科技人员把滑车移动到大家面前,上面安装有百叶窗式矩形飞翼:“我们理论学习的空气动力学中讲到,根据运动的相对性原理,飞机在静止空气中飞行所受到的空气动力,与飞机静止不动、空气以同样的速度反方向吹来所受到的空气动力效果是一样的,但在实际中并非完全一样。”

“大家看这个长方体。”小胡拿起一个长方体支架说道,“风前前面吹来,这个长方体前侧底面受到空气动力的作用,假设这个长方体很长,气流短时间内还没有到达后侧底面,那么在这段时间内长方体受到的空气动力效果只有一个前侧底面的作用。如果是空气静止,长方体运动,它的前侧底面和后侧底面同时与空气发生相对运动,那么它的空气动力效果与前面所讲的就不相同了。所以空气运动还是物体运动是有一定区别的,特别是对我们这个‘滑行的风扇’来说。”

小胡蹲下来,大家也哈下腰,看着百叶窗式矩形飞翼模型:“大家看,如果这个‘滑行风扇’静止,当风迎着风扇吹来的时候,前面的叶片对后面的叶片有一定阻挡,造成空气动力效果的降低,那我们的实验结果就不准确了。如果空气静止,滑车带动风扇模型前进时,每片扇叶片同时与其上方空气发生相互作用,空气动力效果就好多了,这就能再现场景得到真实的数据。”

赵总师转回头对姚总说:“现在我们的航空技术转向垂直起降,这个飞行的‘百叶窗’技术你们是怎么应用的?”

“我们目标奔向垂直起降起降之后,这个滑行的扇翼技术并没有沦为无用之地,还得到进一步的开发。垂直起飞后还是平飞,所以矩形扇翼技术不但没有被抛弃,还成了平飞中的重要技术。”姚总师拿起遥控器,控制着叶片的开合,说道,“你们看,它的叶片关合时,就是机翼的一部分,打开时,就是能提供升力的平移式滑行风扇。控制叶片的角度能控制升力的大小和升阻比,小角度可以实现起飞时的小推力大升力,大角度时可以实现降落时的大升力大阻力。”

杨工走到赵总面前:“赵总,再看看我们程总开发的拳头产品,升力风扇。”大家来到一个大型的嵌套风扇面前,“小王,你给大家介绍介绍。”

王振华毕业于国内著名的航空大学,工作几年便成为业务骨干。小伙子两条直眉下有一双机灵的眼睛,一只标致的鼻子下面是一张能说会道的嘴,一看就知道是个精明能干、健谈的人。

小王一点也不怯场,很大方地说道:“呵呵,在诸位领导面前班门弄斧了。这是我们专门为垂直起降大型平台设计的大型升力验证风扇,是最新的电驱式嵌套风扇。在介绍这个风扇之前,请允许我介绍下我们这人团队。”

程启航笑着说:“对对,给赵总介绍介绍。”

王振华从左边开始介绍:“骆家鸣,电动设计专家,为风扇提供最强劲的动力和最高效的设计。”小骆向大家点头一笑。

“张宏晔,轴承设计专家,专长设计大型轴承和微型轴承。”小张扶扶眼镜,微微一笑。

小王指着一个小女生:“孙蓓琳,我们众星捧月的队花,IT专业,为我们的风扇提供最佳控制程式,能高效稳定地工作。”小孙两手相扣,放于腰侧,颌首微蹲,一个标准的万福礼让大家哈哈大笑,既有古时大家闺秀的气质,又有现代女孩的活泼,怪不得大家捧为队花。

“林雨帆,材料专家,为我们风扇减肥,誓言要打破起飞后风扇成死重的不良印象。”小林冲大家招招手。

“李达,结构学专家,为我们的风扇设计最佳结构,为高强度和高效率提供保障。”小李微微点一下头。

“… …”小王一一介绍完后。

贺总师笑道:“还有你这个空气动力专家。”

“不敢当,不敢当。” 小王摆摆手,走到风扇跟前,“我们看,这是一个五层嵌套的升力风扇,如果采用机械驱动,很难设计出五层嵌套,并且也重量大,噪音也大。采用电动驱动,就可以很轻松设计出来了,并且,重量减轻,噪音也大大降低了。”

小王和大家把风扇立了起来,便于大家观看。

“嵌套升力风扇虽然很复杂,设计实施非常困难,但带来的好处是显而易见的。”小王用手拨动每一层环形叶片,让同一半径下的五个叶片连成一条直线,他指着这串叶片说,“如果叶片不分层,就是传统的风扇。”

小王拨动最外层环形叶片快速旋转起来:“我们知道,风扇叶片产生升力的原理与飞机机翼产生升力原理都相同的。升力的大小主要与叶片的安装角度和旋转速度有关,但风扇叶片与飞行中的机翼相比有个明显的缺点,就是扇叶片旋转时叶片尖速度最大,逐渐向叶片根减小,到叶片根速度可以说为零了。而飞行中机翼上每处与空气的相对速度基本上都上一致的,所以机翼的升力效率高,风扇的升力效率低。”

小王让最外层环形叶片慢慢静止下来,指着每一层叶片说:“我们把叶片如果平均截成五份之后,让每一层叶片外缘线速度都相同的话,每层叶片根线速度的情况就大大改善。比如最外层叶片根线速度为叶片外缘旋转速度的五分之四,第四层叶片根线速度为叶片旋转速度的四分之三,第三层叶片根线速度为叶片旋转速度的三分之二,以下类推。虽然越往内层叶片根线速度越低,但它所占的面积也越小,所以整体影响不大。风扇叶片各部分线速度不同引起升力不均匀怎么办?只能调整叶片的迎角来弥补升力的不足,所以传统风扇叶片扭曲得如此厉害。我们看…”

小王俯下身拿出两个叶片,左手是短小的嵌套升力风扇叶片,右手是硕长的传统风扇叶片:“由于嵌套升力风扇叶片根线速度很高了,所以也不用再增加迎角了,这样看上去它扭曲得就不那么厉害了。”

小王把两个叶片靠在了一起:“虽然可以调整叶片迎角大小来弥补升力的平衡,但会影响到风扇的升推比大小。叶片尖迎角小,升推比大;叶片根迎角大,升推比小。很明显,嵌套风扇的整体升推比要大于传统风扇,经济性更好。小李,你接着介绍介绍。”

李达接着介绍到:“传统风扇的嵌套分层不仅带来空气动力方面的好处,从结构上也带来巨大的好处。”

小李拿起两根传统风扇叶片,把叶片根靠在一起,越往叶片尖张开越大:“大家看,风扇圆心叶片密集,越到风扇四周,叶片越稀疏,风扇的实际面积利用率低下。”

小李把这两个叶片比照放到嵌套升力风扇上:“大家看,嵌套风扇叶片短小,那么相邻叶片尖的距离拉开的也小,风扇的实用面积增加,面积利用率提高了。另外,叶片的短小也降低了对叶片强度的要求,减轻了重量,避免了离心力巨大造成的损坏。”

“叶片的短小密集还有个好处,那就是风扇可以做得很薄,特别是这种电动驱动的嵌套风扇,那么安装到机翼中是非常可行的,不会影响高速的平飞。”小王说完,又指着每层嵌套风扇环叶片根部的环形轴承说道,“当然,嵌套升力风扇产生的问题还是不少的,比如轴承问题。这个小张有发言权,你来讲讲。”

小张很有儒雅风度,扶了扶眼镜,走上前来:“轴承是力的传递活件,表面看它可能是嵌套升力风扇中最没有技术含量的部件了,但实际上它的性能关系到风扇的成败。”

小张俯身指着嵌套风扇内圆轴承说道:“你们看,传统风扇轴承与嵌套风扇内圆风扇轴承相差无几,可外面几层风扇环的轴承就不一样了。传统风扇轴承直径小,转速低,所以对轴承的要求不高。嵌套风扇越往外层轴承直径越大,轴承旋转速度与风扇叶片根部旋转速度一致,如果风扇叶片外缘速度为300米每秒的话,那这五层嵌套风扇最外层风扇环轴承线速度就是240米每秒,次外层就180米每秒等等。如此高的速度对轴承来说会造成磨损大、温度高,重量增加等等问题。对于嵌套风扇的大环形轴承来说要求轻、薄、坚固耐磨,而用传统的滚珠或滚针轴承设计效果不尽人意,所以我们现在尝试用高压气动轴承和磁悬浮轴承或混合轴承等来试验,尽量用最保险的方案满足嵌套升力风扇的设计要求。”

赵总师笑着说:“看似简单的轴承其实在这里满满的都是高科技。”

“在设计嵌套升力风扇有两个重要的设计指标,就是升推比和升重比,这是两个重要的经济指标。” 小王说道:“升推比大,对发动机的动力要求低,小推力就能换取大升力,但风扇的面积要求大些,一般民用航空采用大升推比的风扇。升推比小的,单位面积升力巨大,但要求发动机的动力也高,经济性差,所以财大气粗的军用航空采用此风扇。风扇升推比的大小主要取决于叶片的迎角,近似为迎角余弦与正弦的比值,为了能适应不同的飞行条件和飞行环境,我们现在还研发可以调节叶片安装角嵌套风扇,从而可随时改变叶片的迎角,在实现升力性和经济性之间随意调节,做到军民通用。

“风扇还有个指标是升重比,也就是产生的升力与自身重力的比较,升重比大可以减轻平飞时死重问题,经济性好,这就靠小林这个材料专家和大家从结构设计上解决。最后,这种电动驱动的风扇还要靠电来驱动,这就靠小骆和小孙了。”

小林和小骆在大家的目光中标准的一笑,小孙则俏皮地说道:“他们诸位大侠出力了,小女子只是用手指动动键盘。”引得大家哈哈大笑。

大家看着这群朝气蓬勃的小青年非常感慨,赵总师激动地说:“好哇,你们对设计升力风扇如数家珍,如此年轻就能挑起高精尖研究的重任,这是国家希望,我们后继有人哪。我这次来,就是代表航空总公司向大家问好,我们中国航空事业的新篇章开始了,我们中国将率先进入自由自在的垂直起降飞行的大众航空时代,将来无论是飞机,还是飞行汽车,或其它各种各样飞行器,都要向垂直起降方向发展。这个开端是你们开启的,你们代表着为事业奋斗的年轻一代,你们是祖国的骄傲,预祝你们能取得一个又一个成功。”

大家掌声过后,程启航对全体研制人员说道:“虽然嵌套升力风扇的升级研制难度增大,但我们已经取得了长足的进步,已经有了垂直起降亚音速舰载机和垂直起降飞行汽车的经验,相信在面对航空技术全面转向垂直起降过程中,你们能攻坚克难,胜利完成任务。”

最后,大家又去看了扑翼风扇,现在这种风扇模型在发动机带动下可以实现叶片左右运动向下扇动空气,但还没有达到预期的升力效果,主要受困于材料和原理结构的设计,大家基本意见就是继续研制,作为一个航空储备技术。

大家离开天启风洞基地时,赵总师欣慰地说:“通过这次参观,我大饱眼福,信心十足,我回总公司就有底气汇报了,我们一定能进入全面的垂直起降航空时代。”

“赵总,今晚别走了,我请客。”程启航望着倒映在湖水中的夕阳晚霞,对赵总说。

赵总摆摆手:“不了,我还得回去整理汇报材料,现在航空事业全国一盘棋,得抓紧时间哪,你和杨工做好准备,等开会通知,我就先回去吧。”赵总的专车已等在湖边广场上了,升力风扇打开发出丝丝的响声,周围的小草在风中摇曳,在大家的目送下赵总的飞行汽车拔地而起,向北方飞去,消失在远方天际的云霞之中。

小张耳朵尖:“航哥,听说你要请客?”

程启航笑了:“就你耳朵尖。好,想吃什么?”

“还是烧烤吧,多长时间没吃了。”小叶抢先道,“现在天气真好,吃烧烤正好。”

“好,今天我们再上北山公园夜市吃烧烤。”

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