
把战机变成汽车,需要几步?
创造新的Land Speed Record(陆地速度记录),这一直Shadle的梦想。当他从IBM退休以后,他有时间和精力把梦想变为现实。挑战Land Speed Record的规则很简单,只要车身使用轮子在地面上行驶,采用任何动力装置都可以。1999年,Shadle找到了一架退役的F-104“星”式战斗机,虽然它当时破旧不堪:发动机已被拆除,一半的金属蒙皮被撕掉,余下的部分则布满涂鸦和鸟粪,不过对于一心想打破记录的Shadle来说也是如获至宝。他知道早在1955年,F-104战机已经突破了2倍音速。他和他的团队要做的就是,把这台空中霸王改造成能够突破音速的陆地赛车。
F-104是美国洛克希德公司研制的超音速轻型战斗机。1951年开始设计,1954年2月原型机首次试飞,各型号共生产 2,578 架。除了美国以外,德、日、加、意、荷、丹麦等国都曾大量采用,是世界上第一种实用的M2(2倍音速)级别的战机。
Shadle和同伴们拆除了这架F-104的机翼和水平尾翼。它就像是一台天生的陆地赛车:细长的流线型车身、两侧半环形的进气口、高耸的垂直安定面……看上去就让人热血澎湃。当Shadle和同伴们给这架F-104装上一台由加拿大S&S Turbine Services公司提供的通用电气J79涡轮喷气发动机,并将它涂装成鲜亮的红色,一辆贴地飞行的“北美之鹰”赛车诞生了。
从实验到模拟,跨越1马赫记录的“三座大山”
一架变成赛车的战机并不是“北美之鹰”项目的全部,这样一个具有挑战性的计划,需要大量的资金、硬件支持以及高素质的团队成员。在过去10多年中, Shadle和他的“北美之鹰”团队筹集了大约25万美元资金维持项目,也获得了很多企业和团体的支持。
要想达到期望的速度(1227公里/小时),摆在“北美之鹰”团队面前困难有很多,比如难以逾越的“三座大山”:突破音障;能适应高速运动的车轮;一套能让车子安全停下来的制动系统。如果用传统的方法解决这些问题,需要大量的试验和反复的修改。要知道J79发动机每分钟消耗80加仑(约合303升)燃料!通过计算机辅助的方法来验证设计结果是不错的方案。不过,即使是最强悍的个人电脑,也不能应付大型的空气动力学分析软件、辅助设计软件以及大量的数据、视频。 “北美之鹰”团队使用了联想ThinkStation S20和D20工作站,把它们作为一个设计、监控和数据采集的中继站。在联想ThinkStation工作站强大性能的支持下,“北美之鹰”的工程师们在ThinkStation上安装了Geomagic Studio、Verisurf, Dassault Systèmes (CATIA) and Adobe®等软件,在自己的桌面上分析和模拟试验中的各种数据复杂的、数据密集型的计算,也大大提高了工作效率,验证了一系列过去需要耗费大量实验才能获得的结果:
“音障”是所有“超音速”运行的物体不可逾越的高墙,当这台F-104改装的赛车时速达到0.7马赫时(音速的0.7倍),会产生“激波锥”,车前的空气被压缩,像墙一样阻碍加速,在空中飞行的超音速飞机可以很好地躲过激波锥。但是,在地面返回的冲击波会使车身上摇,后部晃动。“北美之鹰”的工程师通过在ThinkStation工作站上空气动力学分析,预测了这些冲击波对北美之鹰的影响,对车身、车轮的布局进行了优化,增大的稳定性。
当时速超过350英里(约合每小时563公里)后,橡胶轮胎会因与地面摩擦产生的高温熔化。为此,“北美之鹰”团队设计了世界上最快的汽车车轮。他们用了一年的时间,利用CATIA V5和Finite Element Analysis (FEA)软件,制造出了铝制车轮,而这所有的工作都在强大的、多核的ThinkStation上完成,最终创造出安全速度达到了950英里的单坯锭铝合金车轮。
让“北美之鹰”从800英里的时速上实现平缓刹车着实是一个挑战,什么ABS、EBD都会在高温下灰飞烟灭,稍有不平衡就会酿成惨剧。NAE的工程师们在ThinkStation平台上利用Dassult Systemes CATIA软件,创造性地设计出一套非接触式的磁性刹车系统,让“北美之鹰”在不需要物理刹车盘的情况下减速,避免了高温摩擦。这个发明已经由Lev X Technology申请专利。
此外,为了有效的记录和分析每次难得的实验数据,NAE团队利用3架高速相机拍摄下了每次“北美之鹰”的运动影像,拍摄速度为33,000 张/秒。在测试中,还通过安装在北美之鹰上的监控系统收集数据。然后在ThinkStaion工作站上使用Adobe Production Premium处理和编辑影像脚本,用来分析车辆的悬挂系统、车轮、减速伞的工作状况,为今后的工作积累经验。
“鹰”已着陆,黑岩沙漠努力中
这样一辆身长56英尺(17.07米)的喷气“汽车”,可以轻松跑出几百英里的时速,却很难找到合适的试验场地。“北美之鹰”开始只能在一些小型的私人机场测试。直到2004年12月,Shadle和他的“北美之鹰”团队才第一次开动了J79发动机的加力模式。而要发挥出“北美之鹰”的真正威力,需要11英里(约合17公里)长的“跑道”:1英里用于“热身”,将时速提高到250英里(约合每小时402公里);4英里用于点燃加力燃烧室,将时速提升至最高;在此之后的1英里在测速区完成;最后5英里用于刹车。
为了顺利打破陆上速度纪录,Shadle和他的团队将内华达州的黑岩沙漠(Black Rock Desert)确定为挑战现场。黑岩沙漠是位于美国内华达州(Nevada,United States)西北的内陆湖及周边干涸的湖床。这片广袤的干湖在冬季是泥泞不堪的沼泽,但夏季来临时会被阳光晒干,变成一块平坦的硬地,非常适合坚硬光滑铝制车轮减少摩擦。在这里,Shadle和他的“北美之鹰”将向Thrust SSC在1997年创“音速”记录发起挑战。
到目前为止, “北美之鹰”在试验中的最快时速只有400英里(约合每小时643公里),是2008年在南加利福尼亚州莫哈韦沙漠的埃尔•莫拉吉干湖床上试车时创造的,距离他们的目标速度还差得很远。不过,Shadle和他的团队是由一群热情的志愿者组成,很多人参与“北美之鹰”项目的原因就是因为好玩。当然这个项目下很多研究成果都非常有价值,比如上面提到的铝制高速车轮、非接触式刹车系统等,也许就会出现在未来的高速列车中。
参考文献:
- 陆地速度记录(Land Speed Record):到目前为止,Land Speed Record(陆地速度记录)是由英国人理查德•诺伯(Richard Noble)和安迪•格林(Andy Green)驾驶Thrust SSC,在1997年创造的——时速763英里(约合每小时1227公里),突破了音速。 http://en.wikipedia.org/wiki/Land_speed_record
- “北美之鹰”官方网站: http://jetcar.landspeed.com
- “北美之鹰”的Wiki: http://en.wikipedia.org/wiki/North_American_Eagle_Project
- 黑岩沙漠: http://en.wikipedia.org/wiki/Black_Rock_Desert