我們先來看一個巨大的球體,滾著滾著。就滾上了天。
這是上世紀80年代Magenn Power公司制造的一款試驗性球形飛艇,它的原理并不復雜,因為大家經(jīng)常能見到這種現(xiàn)象,那就是——香蕉球!
1852年馬格努斯描述了這種效應,它的作用機制比較復雜,但可以簡化理解為在流體中旋轉(zhuǎn)的物體,導致其上下兩側(cè)流速不同而產(chǎn)生的壓力差形成了偏轉(zhuǎn)力。
流體運動和物體的旋轉(zhuǎn)方向與速度決定了偏轉(zhuǎn)力的方向和大小,應用庫塔-茹科夫斯基定理進行計算。
馬格努斯效應力的作用是很大的,例如本來應該會幾乎垂直下落的籃球,若是將它旋轉(zhuǎn)著扔下去就會漂移出很遠的距離。
上旋球的飛行弧線要更低、更短,下旋球的馬格努斯作用力的方向是向上的抵消了一部分重力所以飛的會更遠一些,有的使用球形彈丸的玩具槍就會設計成出膛下旋以增加射程。有踢足球經(jīng)驗的同學可能比較清楚,迎著來球底部輕輕搓一腳,雖然力量不大但球卻可以緩慢的在空中多飛一會。
Magenn Power公司馬格努斯飛艇的核心部件就是一個巨大的氦氣球,具備浮離地面的能力,然后在飛行過程中球體內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)使其向后旋轉(zhuǎn),隨著旋轉(zhuǎn)速度和前進速度的增加,飛艇的升力變大就會飛得更高,旋轉(zhuǎn)減速甚至倒轉(zhuǎn)就能快速下降。因為它的旋轉(zhuǎn)特性,飛行的穩(wěn)定性會大幅提高,阻力也會有所降低,這是一項非常有創(chuàng)意又很實用的設計,很具未來科幻感。
不過遺憾的是,與其它飛艇一樣受制于結(jié)構(gòu)強度和動力的矛盾約束,由于巨大的空氣阻力在大風中飛行異常艱難,若是提升動力不僅帶來重量的增加,其輕型結(jié)構(gòu)強度也難以承受。但愿在未來材料學發(fā)展的支持下,馬格努斯飛艇能夠重獲新生,這家伙像極了獨立日2里面從時空漩渦中驚艷出場的那個智能(生命?)球。
基礎(chǔ)研究的重要性是無可替代的,最基本的現(xiàn)象與規(guī)律被發(fā)現(xiàn)和研究以后,在實際應用中就可能會將其發(fā)揮到極致。
既然在風中旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生升力,那么對當時非常重要的海上航運來說就可能是一個良好的契機,因為機帆船一直是一個夢想中的完美事物,有風則借力、無風靠機動。
但機帆船的缺點也是非常明顯的,首先就是操作復雜,升帆、降帆、還需要根據(jù)風向與風速變化不斷調(diào)整帆位,要使用更多的人力,其次是巨大的風帆會嚴重占據(jù)甲板面積影響載貨,惡劣天氣中的甲板操作也增加了船員的危險性,機帆船已經(jīng)不適用于現(xiàn)代化的大型輪船。
而利用馬格努斯效應推進就會避免上述的很多問題,只需一名船員在控制室內(nèi)自動化操作圓柱體的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向即可,能夠最大程度上利用側(cè)風升力。德國工程師弗萊特納在1924年建造了第一艘實驗性轉(zhuǎn)子船,安裝了兩根高15米、直徑3米由電力系統(tǒng)驅(qū)動的轉(zhuǎn)子。
但可能是由于當時的機械與傳動及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率問題限制,這艘船用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子的動力消耗與傳統(tǒng)的螺旋槳推進方式相比并沒有優(yōu)勢,在經(jīng)濟性上無法與廉價燃料競爭,因此這種驅(qū)動方式被長期擱置了。
直到上世紀80年代第二次石油危機,暴漲的原油價格令航運業(yè)又重新拾起了對轉(zhuǎn)子帆的興趣,考慮將其作為提高燃油效率的一種方式。德國Enercon公司2010年建造了一艘長130米的萬噸輪,安裝有2個螺旋槳、4個高27米直徑4米的轉(zhuǎn)子,使用柴油機廢氣的汽輪機驅(qū)動轉(zhuǎn)子來利用風力輔助航行,以達到節(jié)省燃油的目的。
Enercon公司經(jīng)過長期的研究和測試后認為,與相同尺寸的傳統(tǒng)貨輪相比,他們的轉(zhuǎn)子船可以節(jié)省高達25%的燃料。
實際上轉(zhuǎn)子船對燃料的節(jié)省程度與航速和風力高度相關(guān),船速越慢(阻力?。L力發(fā)揮的效能越高,例如在航速28公里時節(jié)省15%,那么在18公里時節(jié)省下來的就可能會高達44%。綜合來看在燃料節(jié)省與環(huán)境排放壓力日趨增大的情況下,轉(zhuǎn)子輔助航行技術(shù)的確具有一定的應用前景。所以,參與轉(zhuǎn)子船改造實驗和測試的航運公司開始增加,例如這艘只安裝了一個圖騰般的轉(zhuǎn)子看上去怪怪的游輪。。。
10萬噸大型油輪上的轉(zhuǎn)子帆。
這艘貨輪更酷,在船的一側(cè)安裝有導軌,轉(zhuǎn)子可以靈活的在上面移動,礙事的時候能收納到一邊。
機動帆船,最終可能會以這種圓柱形的、用碳纖維和玻璃纖維制成的需要更少動力驅(qū)動的、輕型轉(zhuǎn)子帆形式轉(zhuǎn)世重生。
既然轉(zhuǎn)子相對于空氣運動就能產(chǎn)生垂直的力,那么飛上天似乎也可以考慮一下。
在直升機應用之前,固定翼飛機很難做到低速巡航飛行,想要飛得更慢比提高速度難得多,但卻有很多的實際場景需求。于是,馬格努斯效應就上場了,第一架轉(zhuǎn)子翼飛機1910年就試飛了。
還制造過這樣的。
不過似乎仍然是受限于當時的飛機制造水平,試飛并不是很成功,美國軍方和NASA也都做過評估分析,但最終都沒有繼續(xù)。有幾個主要的因素可能是導致放棄的原因,首先是高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子翼會產(chǎn)生強烈的陀螺效應,穩(wěn)定性很強致使飛機難以靈活的改變飛行姿態(tài)、操控性很差;其次是轉(zhuǎn)子翼若因意外停止了旋轉(zhuǎn),那么失去升力的飛機是無法滑翔迫降的。
不過當今的航模愛好者可是將馬格努斯飛行器發(fā)展到了極致,各種古怪奇葩的東西都能飛上天!
甚至兩個肯德基全家桶也行!
只要能夠讓圓柱體保持旋轉(zhuǎn),同時螺旋槳帶動飛行器前進,那么就可以飛起來。下面這個只有圓柱體和可操控方向的螺旋槳,但沒有任何機翼也沒有起落架的就需要扔出去獲得初速才能飛。
而這種圓柱體本身沒有動力、不能自主旋轉(zhuǎn)的也可以,只要葉片結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子翼能迎著風被吹動轉(zhuǎn)起來就能提供升力,從而在螺旋槳的推進下飛行,當然也得拋出去獲得初始轉(zhuǎn)動才可以。
別不信,有視頻為證,這些稀奇古怪的東西都能飛起來!
也許有一天,它們能夠以飛行汽車的形態(tài)出現(xiàn)。
當然,現(xiàn)在嘗試好像有點為時尚早,在這方面主流機構(gòu)還沒有什么投入。
但是將轉(zhuǎn)子融合進機翼,改良氣動布局、增加升力還是可行的。
NASA試飛過這種類型的樣機,能夠大幅提高低速性能,將轉(zhuǎn)子嵌入到了機翼后部的襟翼之間,用傳動軸連接兩個轉(zhuǎn)子以防單個失效或轉(zhuǎn)速不同。
雖然對馬格努斯效應的利用進行了很多嘗試,但我們也看到了距離規(guī)模性應用還很遙遠,而比較有潛力的一個方向可能會是便攜式的風力發(fā)電。因為距離地面比較高一些的地方風力更大,所以風力發(fā)電機越造越高,但這東西是無法移動的。若是使用一種能被風吹著轉(zhuǎn)動的圓柱形物體就可能會解決這個問題,馬格努斯效應會產(chǎn)生升力,讓這個東西升到更高的空中。
在這個便攜式的裝置中,安裝了發(fā)電機系統(tǒng),用固定纜繩內(nèi)的導線將電傳輸?shù)降孛妫渖虾庾屗h離地面,被風吹動旋轉(zhuǎn)以后就能升到2、300米的高空充分利用風力,可以在野外臨時性的快速搭建使用,對此的研究相對多一些。
最近幾天不是媒體上說川普認為風力發(fā)電機致癌嗎?實際上指的就是巨型風力發(fā)電機帶來的噪音污染問題,馬格努斯螺旋槳表示也可以湊一下熱鬧。。。
馬格努斯效應在電機帶動旋轉(zhuǎn)的麻花柱上能夠產(chǎn)生比較大的升力,即使只有常規(guī)螺旋槳約四分之一的低轉(zhuǎn)速也能夠驅(qū)動重型發(fā)電機,大幅降低的轉(zhuǎn)速使得風力發(fā)電機的噪音大為減小,可能與風聲相差不大,也能有效降低鳥撞上葉片而死亡的概率。
上述這些應用,全部始于對一個小小的香蕉球現(xiàn)象所引發(fā)的研究而帶來的,整個過程十分的有趣,也能令我們意識到基礎(chǔ)研究的重要價值的確無可替代,哪怕十分微小而不起眼的一個未知問題都可能會帶來意想不到的發(fā)現(xiàn)。
就如同蘋果為什么會掉到地上,這是一個再正常不過的常識了,難不成還能掉到天上去?燒糊涂了吧~~但在天經(jīng)地義了成千上萬年之后,終于有一天砸到了牛頓的頭上。。。人類進程自此開啟了加速模式,不過現(xiàn)在又隱隱顯現(xiàn)出了減速的趨勢,那么,屬于你的那個蘋果究竟在哪里呢?
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