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飞向天空的技术牛仔—伯特·鲁坦

2005-04-06 11:27 作者:吴戈 2005年第10期
史蒂夫·福塞特驾驶“环球飞行者号”飞机完成了首次单人不着陆环球飞行,为自己的冒险史又增加了一顶桂冠

伯特·鲁坦

3月3日下午1时48分,史蒂夫·福塞特驾驶“环球飞行者号”飞机降落在美国堪萨斯州萨利纳机场,完成了首次单人不着陆环球飞行,为自己的冒险史又增加了一顶桂冠,此前他曾经完成热气球环球飞行。

这个狂飙突进的技术时代提供了太多的可能,环球飞行正在失去人类征服自然的里程碑意义,驾驶者的英雄色彩淡去,而人们更关心技术——怎样造出这样的飞机来,一个了不起的飞机是否能让普通人成为林白那样的英雄。冒险被技术化的过程更值得我们关注。“环球飞行者号”的设计者——伯特·鲁坦就是将冒险技术化的典型代表。

61岁的鲁坦堪称当今世界最著名的飞机设计怪才,虽然去年就以首次完成民间亚轨道飞行的“太空船一号”吸引过全球的目光,但人们对这个有着“猫王”般的鬓角却神态天真的老头仍知之不多。概括起来,鲁坦的航空事业包括三件事:设计个人就能组装的飞机;研究创新的飞行器;使飞机像汽车一样方便。对中国的航空业界来说,这三件事也都是陌生的。

埃尔伯特·L·伯特·鲁坦(Elbert L Burt Rutan)1943年6月17日生于俄勒冈州波特兰,在加州迪努巴长大,父亲是位牙医。鲁坦学生时代设计的模型飞机曾获过奖,16岁学习飞行,1965年在加州工业大学获航空工程学士学位后,在爱德华兹空军基地任文职试飞工程师,成为飞行品质专家。

1972年3月,离开空军的鲁坦赴堪萨斯州牛顿,出任贝德飞机公司测试中心主任。1974年6月,他携妻子卡罗琳迁至加州西南部距洛杉矶以北约129公里的莫哈维,成立了鲁坦飞机厂,接连推出一系列供家庭组装的小型飞机。1982年4月,鲁坦在莫哈韦机场创办了“缩尺复合材料”公司,集中了一批充满活力的工程师和飞行员,专为飞机研制和航空研究项目设计制造原型机。1985年6月,公司被老牌公务机制造商比奇飞机公司购并,后来比奇又被军用电子巨头雷森公司收购,但鲁坦一直任总裁兼CEO。迄今,该公司已经设计、制造、试飞了40多种飞行器。

从1986年首次完成双人不着陆、不加油环球飞行的“旅行者号”起,鲁坦开始研制创纪录飞行器,史蒂夫·福塞特2002年单人环球飞行的热气球,以及“太空船一号”和“环球飞行者”都是他的作品。多年的成就为鲁坦赢得了美国试验飞机协会(EAA)、试验试飞员协会、林白基金会、英国皇家航空协会、法国航空俱乐部等机构的多项大奖和1986年总统奖章,还数次获得《设计新闻》年度工程师,国际航空航天名人奖、克莱斯勒设计创新奖,1999年他的“海神”飞机被《时代》杂志列入“本世纪100件最佳事物”。

DIY飞机

业余发烧友自己制造或组装小型飞机,在美国早已成为一项产业,有很多专业公司提供图纸、散件或成品,目前一套中档散件价格约1万多美元,高档的5万美元左右。以推动自制飞机和运动飞行为主旨的EAA拥有17万会员,每年在威斯康星州奥什科什举行的“飞来大会”(小型飞机大聚会)都有至少2500架飞机云集,今年7月的聚会还将有“太空船一号”和“环球飞行者号”参加。

当年,鲁坦创建自己的飞机厂,最初目的就是把在学校里设计出来的一种小飞机——“酷雷”制造出来。付不起风洞试验的费用,他就把飞机部件模型绑在高速行驶的旅行车顶上,获得数据。同时,他在当时尚属前沿的复合材料制造工艺上颇具心得,这使他得以很快研制出“超易”等5种DIY飞机,以图纸或散件方式销售。其中较为成功的“超易”到1979年已销售4500套,到1980年已有200架被发烧友制造出来。

鲁坦自己造的载人飞机至少亲自飞一遍,周六他时常驾机娱乐,但有趣的是,他并非霍华德·休斯那样的飞行狂人,由于晕机,他从不做特技动作,3000小时的飞行经验只是积累的结果。甚至可以说,鲁坦是个胆小的人,在空军第一次乘F-4“鬼怪”战斗机试飞就晕得翻江倒海,面如白纸。在他之后的第二架次试飞就发生了坠毁,更吓得他一整天惊魂未定。有时呕吐袋被划破,晚上还得狼狈地在寒风中钻进座舱内打扫。因此鲁坦并不主张过于冒险,在他眼里,好的试飞员要有勇气,但也必须足够聪明,不要做使自己送命的事。

原型机孵化器

今天的加州是IT业的天下,但航空在这里依旧发达。加州洛杉矶附近的莫哈维沙漠是独一无二的航空土壤,这里有专门负责军机试飞的爱德华兹空军基地,处心积虑的军事需要和技术的大胆突破,使这里飞出的飞机有如澳大利亚的生物一样异类。

鲁坦的那些外形古怪却极具创意、空气动力性能出色的飞机,便是这种神奇土壤孕育出的民用部分,他的公司就在莫哈维机场的跑道旁,距爱德华兹基地仅数公里,目前有130人。公司以项目为基础运作,有智库的特征,又能加工制造,主要提供飞行器的概念设计、空气动力设计、结构设计和研发性试飞。

借助先进的复合材料制造技术和独特的小团队协作,鲁坦的公司平均每年推出一个新机型。这些机型中,一部分参与了军方一些先进装备计划的竞争,诸如为美国陆军低成本战场攻击机(LCBAA)计划研制的Ares验证机,装一台涡扇发动机和一门25毫米机炮,1990年2月19日首飞;1988年为美国国防部研制的ATTT(先进技术战术运输机)的概念验证机,以独特的副翼系统兼顾了短距起降和长航程;为劳伦斯·利佛莫尔国家实验室研制的“猛禽”高空长航时无人机的验证机,1993年4月27日首飞,能在19812米高度飞行48小时以上,战略防御计划署曾打算用它拦截弹道导弹。

当然,原型机只是一个完整飞机型号的起步,还有很多环节不取决于鲁坦,他设计的军用机最终投产的凤毛麟角,但这并不妨碍军方和飞机公司在需要大胆创新,突破传统的时候首先想到他。

鲁坦的另一些项目是为创新性的重大航空航天计划设计制造复合材料机体或模型,其中比较著名的是90年代初为轨道科学公司的“飞马”空射运载火箭研制的箭体,该型火箭从1990年起多次发射小型卫星,2001年6月2日和2004年3月27日X-43A试验机分别突破7倍和10倍音速大关,都是用它的改进型空中发射的。此类项目还包括1989年为诺思罗普公司制造的宽达21米的B-2隐身轰炸机雷达反射截面模型,1991年和1999年分别为DC X和ROTON火箭研制的试验箭体,二者都用于研究垂直起飞,垂直降落的单级入轨可重复使用运载火箭,以及2002年为贝尔公司的“鹰眼”倾转旋翼无人机制造的机体。此外,鲁坦还研制了几种新颖的全复合材料公务机。

一个百人规模的民间企业能直接完成世界最高水平飞行器的关键研究,不能不说是市场的力量。然而也不能不承认,创造力过于旺盛的鲁坦模式和产业规模似乎有天然的矛盾,最典型的例子莫过于他1982年开始设计的“星舟”公务机。比奇公司试图用这种全复合材料机型给沉闷的市场注入一股新意,但由鲁坦担纲,好比请汽车个性化改装高手来设计新一代凯迪拉克。果然,鲁坦以鸭式布局(控制翼面在主翼前方)在1983年的NBAA(全国公务机协会)大会上令人耳目一新,但对最终客户而言,如此前卫的非传统设计在满足时尚个性之余,总让人缺乏安全感,最终只卖出53架。

其实,鲁坦的基本技术往往并非首创,“环球飞行者号”的独特外形在上世纪50年代苏联秘密研制的M-55高空侦察机上就能看到,“太空船一号”采用的母机携带,空中分离的发射方式也始于50年代,但他的重大贡献在于:以民间方式,用最低的成本,同时安全、可靠地完成从先进概念到实机的道路。可以说鲁坦代表着美国航空业长盛不衰的一股西部牛仔式的技术自由主义传统,这个传统就是不断地打破传统。最重要的是,它不像波音所代表的巨型企业战略那样,需要市场支付足够研发费用后才开始设计。

狂想家

鲁坦当前的事业是充当美国继续拓展航空航天疆域的牛仔。对未来的航空,鲁坦的预言仍然如牛仔一般。在他眼里,随时能以最快的方式到想去的地方是美国个人自由的重要标志。他认为:高质量的虚拟现实网络将使许多商务旅行变得可有可无,依赖于交通运输的传统商业模式正在解体。美国对中枢辐射式的民航模式并不看好,但美国世界上最庞大的私人飞机群和分散的小机场却没有成为交通网络,因而美国国家航空航天局从2001年开始研究,设想能在空中建立一个虚拟的州际高速公路网,使小型飞机充当“空中的士”,成为大规模的个人交通手段。

在奥什科什,鲁坦曾做过“后航空公司时代的生活”的讲座。他预言:今后五到十年,会有可靠、安静、便宜的发动机,还有直觉避撞系统、先进导航系统和合成视景系统,将使开飞机像玩电子游戏一样容易。如果充分促进个人空中交通,12~14年内,美国的机场将在现有的1.8万个(中国约为140个)基础上增加3倍,国内平均旅行速度达到556公里/小时以上,旅行时间减少一半甚至2/3(如果通过超音速客机,这个时间降低20%以上都很难)。如果采用起伏跑道等设计,机场只需要100米长,每个城镇都可以有小型飞机机场,通过调配制度,人们驾驶的飞机不一定是自己的。

个人空中交通系统成熟60~70年后,还可以设想亚轨道空中交通,这是鲁坦的另一个梦想,他常常将这与1909~1912年间莱特兄弟成功后引发的飞行大繁荣相类比。1927年6月,只有2.5万美元的“奥泰格奖”鼓励林白完成了纽约到巴黎的单人跨大西洋飞行,从而引发了越洋空运业的繁荣,客机飞行员一年内增加了3倍。如今的美国社会再次发动了这种“西进运动”模式,鲁坦所获的“安萨里X奖”就试图再次促进民间投资航天技术,改变载人航天昂贵而复杂的局面。鲁坦甚至展望:2010年太空旅游价格将从10万美元降至10美元!

的确,太空旅游的企业化运作早已开始,还在“太空船一号”获得“安萨里X奖”之前的2004年9月27日,维珍集团就在筹建首家商业太空旅游运营商,还计划投资1亿美元研制新一代飞行器,希望5年内将3000人送入太空,票价最低19万美元。美国太空探险公司也利用俄罗斯技术,准备提供票价十余万美元的亚轨道飞行。

不过鲁坦的预言也许过于激进了,民间市场的升温当然有激动人心的历史意义,但至少目前还不能说民间投资的太空活动能代替政府模式。

自1969年开始研制航天飞机起,美国就希望将运送每磅货物入轨的成本从“阿波罗”计划的1000美元降到20~50美元,当时的梦想是把希尔顿酒店建到月球上。然而30多年来花了成百亿资金,仍徘徊在成功的边缘。这绝不仅仅是没有民营化的原因,因为这在技术难度和资金需求上与飞机的普及都有质的区别。使3000人成为在太空门槛上探过头的“宇航员”所获得的利润,未必能支撑一个可容纳30名真正宇航员的国际空间站,而将国际空间站办成“太空旅馆”的市场,恐怕还不能和名车豪宅的市场相提并论。何况,民营太空旅游的安全性要求更高。1911年,人类可以容忍有139人因学习飞行而死亡,而今天“哥伦比亚号”航天飞机的7条生命便足以重创世界航天业。

相对于信息化社会咫尺天涯的脉搏,飞行带给人类的浪漫情怀和新鲜体验似乎都已经不比当年,鲁坦这样的航空梦想家已两鬓斑白,但美国人对天空仍有狂热。

鲁坦经典作品

“太空船一号”

“太空船一号”是鲁坦的巅峰之作,直接动因是1000万美元的安萨里X奖。这项大奖由美国圣路易斯市商人彼得·迪亚曼蒂斯1996年5月发起设立,要求用私人研制的运载工具将人送到公认的外层空间起点——100公里高度并安全返回,还要在两周内重复一次。

鲁坦从1996年4月开始构思,在微软创始人之一保罗·艾伦2500万美元的资助下,2001年5月开始全面研制。“太空船一号”由名为“白色骑士”的母机挂载,用一小时爬升到15000米高空后脱离,启动火箭发动机,以每小时4000公里的速度向上冲刺,65秒后达到100公里高度。沿抛物线飞行4分钟后开始下降,此时将有3分多钟的失重状态。在24000米高度,飞机开始滑翔,17分钟后降落。

这架飞机仍然采用复合材料,密封增压座舱可乘坐3人,上升时最大过载不超过6G,返回时气压会骤增,但健康人可以承受,舱内只需穿普通服装。2004年9月29日和10月4日该机两次达到100公里高度,赢得X大奖。

“太空船一号”充分体现了简洁实用的设计风格。机翼形状和双尾梁兼顾了高速飞行和滑翔的需要,为了在到达航迹顶端后有足够的阻力改变姿态,开始下降,大胆地用后半段整体偏转的手段,令人叹服。由于是在沙漠着陆,机头起落架干脆采用滑橇。“白色骑士”则沿用鲁坦典型的宽机翼、双尾梁设计,但尾梁和机身都有意抬高,以方便挂载。两者的驾驶舱有很多圆形窗口,既富于未来主义色彩,又能为游客提供宽阔的视野,还有助于降低结构重量。

“环球飞行者”

“环球飞行者”由维珍航空公司投资,外形与“旅行者号”类似,机翼宽34.7米,升力是阻力的37倍,1.5吨的机体却装了8.2吨燃油,驾驶舱后上方有一台小型涡轮风扇发动机,平均时速462.6公里,高度15600米。

以当前的航空技术水平,制造这样一架飞机已属成熟技术。该机设计航程35188公里,只要有平均22公里/小时的顺风,完全能飞完国际航空联合会对"环球飞行"定义所要求的36788公里。福塞特并未打破“旅行者号”的航程纪录,但时间缩短到67小时2分38秒,创下了550公里/小时的环球绝对速度纪录,以及喷气飞机不着陆航程纪录,连负责一路跟踪它的“奖状10”公务机也创下有着陆有加油的最快环球飞行纪录。

过去对环球飞行挑战最大的是导航和气象保障,如今在3天限度内选择一条天气有利的环球航线已经问题不大,剩下的困难只有设备故障或人为失误。起飞后数小时,机上的全球定位系统一度失灵,第二天又因为担心漏掉了1吨多燃油,差点迫降夏威夷,幸而预计有强烈的顺风。可见今天的环球飞行考验更多的是系统可靠性和心理素质。

鲁坦经典作品

“超易”DIY飞机

1974年底开始研制,4个月后首飞,不久在“飞来大会”上大出风头,改进后1976年7月开始出售图纸。该机外形出众,采用全复合材料,只要有基本的机械技能,4个月就能造好,完全颠覆了DIY飞机的传统,翼展6.8米,空重263公斤,装一台100马力发动机,航程约1127公里,平均时速290公里/小时。

AD-1研究机

AD-1是国家航空航天局德莱顿飞行研究中心1979~1982年间完成的独一无二的高风险项目,初步验证了飞机机翼可以在飞行中从垂直于机身的位置倾斜到一头在前,一头在后的位置,最多达60°,这样有利于减少阻力,增加航程,但出于安全考虑和技术困难,只研究了低速特性。

“旅行者号”

能环球不着陆飞行的飞机萌芽于1981年一个天气恶劣的夜晚,鲁坦在莫哈维机场附近一家餐馆的餐巾上随手画出了草图。这完全是一种极端实用性的设计,核心要求是足够轻,有足够的升力,能载足够的油。全部用复合材料制造的壳体每平方米仅重1.22公斤,全机结构重量仅425公斤,加上发动机和设备也不过843公斤,不及一辆小汽车的一半,但17个油箱却一共载有4056公斤燃油。驾驶舱内仅容两人仰卧,最窄处仅0.6米,长不过2.3米。

1986年12月14日,伯特·鲁坦的哥哥迪克·鲁坦和女飞行员珍娜·耶格尔驾驶“旅行者号”,用9天3分44秒的时间环球飞行成功,航程40407公里。

“海神”

这架1998年7月26日首飞的高空多用途飞机是鲁坦最大的机型,起飞重量4086公斤,能运载908公斤的载荷飞到18288米以上,速度最低为120公里/小时,留空时间长达14小时,可有人也可无人驾驶,潜在用途包括通讯、侦察、大气研究和作为母机空中发射航天器。

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