认识帮助人类飞行的冒险发明家

人类渴望飞翔有多久了？可能从早期人类第一次抬头仰望鸟类并好奇地问“怎么做到的？为什么？”的那一刻起。

此后，每一个文明都围绕飞行创造了神话、传说、神灵和女神。飞行的梦想是人类普遍的体验。虽然人们普遍渴望插上翅膀，但也有一些警示故事应运而生。在西方文明中，希腊神话中的伊卡洛斯的故事就很有启发性。伊卡洛斯的父亲用羽毛和蜡制作了两套翅膀，以便他和儿子能够离开克里特岛。父亲警告儿子不要飞得离海洋或太阳太近，但伊卡洛斯变得得意忘形，不加小心地飞得太高。太阳融化了蜡，他掉进了海里。

当然，那些最先制造出翅膀并绑在手臂上的人类，他们明白其中的风险，但有些人还是尝试了。幸运的人从未离开地面，那些从悬崖和岬角起飞的人可能都摔死了。

直到 1400 年代，列奥纳多·达·芬奇才对飞行进行了严肃的、理性的探索。在研究了鸟类翅膀的运动后，他绘制了类似滑翔机、直升机和降落伞的机器。他掌握了一些空气动力学、升力和空气流动的知识。然而，他的想法仍然是空想，从未离开过画板。

300 年后，人们才真正飞上天空，当时蒙特哥菲尔兄弟在巴黎郊外的凡尔赛宫放飞了一个热气球。本杰明·富兰克林当时担任美国驻法国大使，他目睹了这次放飞，并被这一壮观景象所震惊。仅仅两周后，一个更好的氢气球升空，爬升了数千英尺。

几十年后，英国人乔治·凯利爵士制造了模型和滑翔机，被许多人认为是第一个真正理解航空学的人，但真正的滑翔大师是奥托·利林塔尔（Otto Lilienthal），一位 19 世纪末的创新者。这位德国先驱极大地促进了飞行科学的发展，并使“比空气重的机器”这一概念获得了认可。他完成了约 2000 次滑翔飞行，但在最后一次尝试中坠落身亡。莱特兄弟认为他是天才和英雄。

当然，正是莱特兄弟在 1903 年将滑翔机技术与内燃机相结合，开启了谁能飞得更高、更快、更远的竞赛。几十年来，飞行已经变得司空见惯，甚至乏味。但如今仍有一些先驱者选择避开常规和安全。他们飞行的梦想不包括加压客舱和头等舱座位。那是一种由人力、风力，或许还可能由背包驱动的梦想。

人力飞行器

在人力飞行器方面，尺寸越大越好，因为人力发动机产生的动力或速度都不大。这正是多伦多大学的人力车辆团队 AeroVelo 所面临的挑战，当时他们正试图赢得著名的西科斯基奖：美国直升机协会和西科斯基飞机公司提供的 25 万美元奖金。要获胜，个人或团队必须是第一个制造出能够在 10 米见方的空间内，离地悬停至少 3 米超过 60 秒的人力直升机。这听起来似乎是个简单的任务，但这个奖项空缺了 30 多年。很明显，任何有竞争力的选手都需要一个巨大的直升机来产生足够的升力。

“这是简单的分析和数学。尺寸越大效率越高，但尺寸越大意味着结构重量越大。有一个临界点，或者说最佳点，超过这一点再增大就没有必要了，”AeroVelo 的首席结构设计师兼联合创始人 Cameron Robertson 解释说。

飞行物理学

虽然大气层看起来是看不见的、气态的，但更准确的描述是我们被包围在一个空气的海洋中，它更像是一种流体。阻力、升力、推力和重力——在设计飞机时都必须考虑。

阻力是指物体在流体中运动时受到的力。物体越光滑，穿过介质就越容易。

重力是指重力向下的拉力。跳伞者像石头一样坠落，然后在拉开降落伞以最大化阻力并减缓下降速度。

升力是在物体运动时施加在物体上的力。通常，升力向上，垂直于阻力。滑翔是降落伞的一种改进形式。翼型——翼装飞行员腿之间的织物网——有时能提供升力，但主要是延迟下落。

推力是使物体前进的力、输出的功率。要真正飞行——而不是坠落和滑翔——物体必须拥有与阻力相等或大于阻力的推力。一个人在短时间内可以产生约 0.5 马力，在较长时间内可以产生约 0.3 马力。这不算多。因此，人力飞行器总是很慢的。它需要异常长的机翼和大量的表面积才能在低速下产生足够的升力。缺乏推力和低速意味着施加的力很小，难以进行操纵和转弯。失速是一个真实存在的风险。有些飞行器使用了方向舵，有些则使用了莱特兄弟在其早期飞行器上采用的某种形式的机翼变形。

AeroVelo 团队主要由研究生组成，他们建造了 Atlas，这是一架直径 154 英尺的直升机，有四个旋翼，每个桨叶的半径约 33 英尺。Atlas 由碳纤维管、Mylar、聚苯乙烯泡沫、轻木和合成绳索制成，重约 122 磅。

动力来自 Todd Reichert 的腿部，他是一位精英自行车运动员和速度滑冰运动员，也是工程师和 Robertson 的 AeroVelo 合作伙伴。Reichert 踩着他悬挂在电线上的改装直立赛车自行车，产生了平均 550 瓦的功率。

AeroVelo 团队研究了之前的尝试，并将他们第一个人力项目——Snowbird（扑翼机或拍打翼飞机）的经验教训纳入其中。Snowbird 是一架巨大的飞机，翼展 105 英尺，重量仅 94 磅。2010 年 8 月，在 Reichert 再次提供脚踏动力的支持下，这架扑翼机实现了飞行——尽管时间很短，约 19 秒。

通过 Snowbird，团队明白了在气动载荷下补偿飞行器变形或结构形变的重要性。所有的飞机在飞行时都会弯曲，但由如此轻质、柔性材料制成的飞机尤其如此。该团队将近三分之一的开发工作花在了建造和测试翼尖小翼上——安装在每个旋翼叶片末端的小型升力翼，用于提高稳定性和控制性。翼尖小翼旨在补偿变形，并提供使直升机保持在规定区域内不偏离所需的控制。

“当我们试图使用这些控制装置时，情况非常混乱，常常导致旋翼倾覆到地面，”Robertson 说。“翼尖小翼被证明是行不通的，我们最终还是拆掉了它们。”

取而代之的是，团队通过推力矢量控制来操纵直升机，这种方法通过改变旋翼之间的动力来实现。Reichert 通过简单地倾斜自行车来完成这一点。

AeroVelo 于 2013 年 6 月 13 日在室内足球场赢得了西科斯基奖。他们利用这笔钱为研究生（大多数是志愿者）提供实习机会，并支付未来项目的材料费用。该团队预计将在 2016 年再次飞向空中，届时他们将参加英国皇家航空学会赞助的 50,000 英镑的 Kremer 国际马拉松比赛。要获胜，飞机必须从静止状态出发，完成两个赛段，包括一个“8”字形，并在一个小时内完成 42 公里——马拉松的距离——的赛程。

学生们正在致力于一种新颖的“全新”设计，一种人力驱动、螺旋桨驱动的飞机。Robertson 说，它必须非常灵活，而且很可能需要不止一个人来提供所需的动力和速度。

“无论我们做什么，我们都希望让公众大吃一惊，并表明作为一个社会，我们可以通过卓越的工程技术和创新的思维方式，以更少的资源做更多的事情，”他说。“我们不认为人力飞行会变得实用，但我们正在寻找各方面的效率，这里的经验教训可以应用于其他地方。

翼装奇迹

虽然公众普遍了解跳伞，但有些人觉得从飞机上跳下，一直下坠到达到终点速度，然后拉开降落伞减缓落地，这没什么浪漫之处。

但是，跃入深渊，展开特制翼装，然后像老鹰一样俯冲滑翔——嗯，这让人想起彼得·潘、超人或巴斯光年“有型地坠落”。一个人穿着翼装像猛禽一样沿着山体轮廓滑翔，在大多数人看来是彻头彻尾的疯狂，但这项极限运动有着某种神奇之处。“当我看到地面在我脚下飞速远去时，我上瘾了，”Tony Uragallo 说，他在佛罗里达州泽菲尔希尔斯（Zephyrhills）的工厂里制造“TonySuits”。“速度足够快，你就可以把衣服向上拉平，增加高度。真的感觉像在飞。”

翼装由坚韧的高密度尼龙制成，用于背包和行李。织物网连接着跳伞者的腿、手臂和躯干。翼的超前缘有塑料，以增加刚性。许多翼型设计包括隔板，可以充气以增加滑翔比——相对于高度损失的前进速度。现代翼装的比例约为 3:1，即每下降一英尺前进三英尺。世界纪录是从 37,000 英尺高空跳下，持续滑翔 9 分 6 秒。

“在长达四分钟的滑翔中，长时间伸出胳膊并不容易。九分钟的话，你需要像鸽子一样强壮的胸膛，”Uragallo 戏谑地说，他会在实验室里调整他的原型服装，用吹叶机代替风洞，然后通过跳伞进行飞行测试。

在自由落体过程中，他可以进行滚桶翻滚和前空翻，减速到 35 英里/小时，或者以超过 200 英里/小时的速度俯冲——比终点速度还快。2012 年，58 岁的 Uragallo 在挪威赢得了世界定点跳伞赛。他还参加了在中国天门山举行的世界翼装联赛。他获得了第七名，仅比领先者慢一秒。尽管他的经历令人兴奋，但却苦乐参半。在中国比赛期间，匈牙利选手 Victor Kovats 因降落伞故障不幸去世。2013 年 8 月，在瑞士阿尔卑斯山上，Uragallo 从 10,800 英尺的直升机上跳下，紧随其后的是 Mark Sutton，他刚因在 2012 年伦敦奥运会开幕式上扮演詹姆斯·邦德替身跳伞入场而声名鹊起。当 Uragallo 用头盔摄像机拍摄时，Sutton 因以 125 英里/小时的速度撞上岩脊而遇难。风险可以降到最低，但一些“鸟人”飞行时离岩壁和峡谷墙壁只有一臂之遥，离树木只有几英尺，这就是所谓的近距离飞行。

“你可以触摸云彩，这不会受伤。但你在下山时触摸岩石，那是不可原谅的。没有犯错的余地，”Uragallo 说。“亲眼看到朋友死去，真的死去，太可怕了。真有趣，一项如此伟大的运动竟然如此糟糕。但这就是生活，不是吗？”

Uragallo 现在已经退出翼装滑翔运动，但他继续为那些想挑战极限的人设计飞行服。特技演员 Gary Connery 成为第一个不需要降落伞着陆的“鸟人”，他穿着 TonySuit 降落在一堆 18,000 个纸板箱上。

“很难说这一切将走向何方。我们才刚刚开始，”Uragallo 说。“微小的变化——这里增加一英寸或半英寸——在翼型上就能产生巨大的差异。滑翔比简直太惊人了。”

喷气背包的完美

1965 年，当休斯顿的 Astrodome 体育场开放时，主题是太空：倒计时自助餐厅、迷人的“Spacette”女招待、当然还有球队的名字，以及那个穿着宇航服的人，他用喷气背包在球场上空腾空而起。

在 20 世纪 50 年代和 60 年代，美国军方资助贝尔实验室生产了第一款火箭背包，设想士兵们可以飞越雷区，跨越河流。

但我们从未成为一个飞行士兵或火箭专家的国家。低功率的火箭背包仍然主要是噱头：在体育赛事或州博览会上观看很酷，但并不实用。第一大原因：飞行时间很短——大约 30 秒——实际上只是在空中进行一次高而长的跳跃。而且，尽管操作员可以从地面起飞，但他们需要在燃料耗尽（通常是过氧化氢）之前迅速降落。飞行的最高点从来不够高，无法作为降落伞发挥安全作用。

还有成本问题。一个喷气背包的价格在 15 万到 20 万美元之间。而且你不能随便套上一个就飞上天空。你首先需要进行计算机模拟和实际操作培训。这需要大量的技巧和练习，丹佛 Jet Pack International 和 Go Fast Sports and Beverage 的首席执行官 Troy Widgery 表示。“它不适合大众。它永远是为那些负担得起价格且不介意风险的人准备的，”他强调。“这是一架飞行器。你可能会受伤甚至死亡。”

Widgery 的公司销售两款不同的喷气背包型号，尽管他坦承这方面的业务并不是盈利的。“我们做这件事是出于热情，”他说。“看到有人驾驶这些喷气背包飞行是世上最酷的事情之一。”

在世界各地，只有少数几家公司和企业家在研究此类产品。新西兰基督城的 Martin Jetpack 营销一种涡轮风扇机器，技术上来说它不是喷气背包，但它已经带着测试假人达到了 5000 英尺的高度。

Widgery 和他的团队正在开发 T73，即 Falcon，它将使用涡轮发动机和喷气燃料飞行约 20 分钟。他说，它将能够垂直起降。“我们有一个原型，当它公开亮相并向公众展示时，这将是全球新闻，”他说。“这将是实现持续飞行的机器。”