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王鸿雁 徐菁 沈海军

 一、研究背景

198810月,印度班加罗尔世界空间会议上,一位名叫罗伯托·皮诺蒂的意大利人就古印度飞行器维曼拿(Vimana)发表了讲话。讲演中,一种名为特里普拉的维曼拿斯被描述成为由太阳能驱动的细长形飞行器,酷似现代的飞艇。罗伯托博士告诉大家,古印度祖先们已具备这样的技术,古印度的维曼拿飞行器需要得到更多的关注。罗伯托还提到了另一本古印度科学专著《萨马兰格纳超原》,探讨了维曼拿中航空旅行的每一个可能的环节。罗伯托博士说,书中有230节涉及建筑、空运、远程航行和迫降,甚至与鸟类相撞。

事实上,在印度各地有许多寺庙,可以看到基于罗摩衍那、摩诃婆罗多和其他印度古史或神话故事的雕刻。这些雕刻之所以能够被创作出来,我们不能忽视创作者想象力的基础。印度的古代遗产中,著名的汉普蒂马哈巴利普兰和埃罗拉都发现有空中战车和火箭的雕刻。作为本研究的一部分,我们研究的对象为维曼拿斯。在埃罗拉16号石窟(也称作“凯拉萨石窟”)中,便雕刻着拉瓦纳的驾驶维曼拿飞行器的图案,其外形与现代喷气背包非常相似,见图1

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古印度维曼拿石窟(左)与现代喷气背包(右)

维曼拿是印度神话中的一种飞行器,它在印度古籍《吠陀经》、梵文史诗《摩柯婆罗》等文献中多有记载。随着1875年古印度圣贤玛赫西的梵文航空手稿《Vaimanika Shastra》(简称“玛赫西的手稿”)从印度南部的一座坍塌古庙宇中被发现,古印度航空航天技术便呈现在了世人面前。2015年,印度全国科学大会上,印度航空专家甚至提出了“数千年前印度就发明了飞机”这一观点;印度总理莫迪甚至也公开呼吁世界航空专家一起来研究古印度维曼拿,他们此举的重要证据就是这本古梵文手稿《Vaimanika Shastra》。

在古印度玛赫西的古梵文手稿中,将维曼拿赋予了不少神话色彩。手稿中对维曼拿演化历程的描述虽然看上去有些荒诞,但体现了古印度人民对飞行的梦想。

天地之间环境复杂,地球大气层中对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层等五层构成了航空器复杂的飞行环境。根据玛赫西的手稿,尽管飞行环境相当复杂,但维曼拿功能齐全,不仅满足现代飞机的众多功能,例如远程控制、无人驾驶、隐身等性能;而且还可以多领域使用,例如可以同时作为船货潜艇。

 悬浮物理学家告诉我们,任何物体任何时候都受制于四种“力”:原子力、电力、磁力和引力。重力是最弱的,也是四种力中最难理解的和最难掌握的,因为人们对它知之甚少。然而,悬浮,一种重力的抵消,至少在历史记录中已经被知晓。托马斯的著作《我们不是第一个》中说道:古代一些最令人难以置信的传说与悬浮或与“反重力”有关。弗朗索瓦·勒诺曼特在《迦勒底的魔法》一书中写道,通过声音的力量,古巴比伦的祭司们能够把数吨重的巨石举到空中。这些描述尽管不能成为维曼拿存在的理论依据,但却增加了维曼拿研究的必要性。

二、玛赫西手稿中的Sundara维曼拿

玛赫西的古梵文手稿里详细介绍了4种维曼拿:SHAKUNA维曼拿、Sundara维曼拿、Rukma维曼拿、Tripura维曼拿。笔者选择了其中的Sundara维曼拿来进行重点研究与设计。

 

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 2 1923T.K.埃拉帕绘制的Sundara维曼拿

1923年,班加罗尔的Shastray对玛赫西的手稿进行系统整理,并请画师T.K.埃拉帕对其中的ShakunaSundaraRukmaTripura维曼拿分别进行了配图。图2显示的便是1923T.K.埃拉帕绘制的Sundara维曼拿,这是我们重新设计Sundara维曼拿的重要依据之一,另一个重要依据是玛赫西的手稿。

在玛赫西手稿介绍Sundara维曼拿时,多处出现了“Yantra”这一词汇。“Yantra(扬特拉)”一词来自于yam的词根,意思是控制或制服。“ra”表示“抑制,抑制,检查。”它可以代表自动机和机器,也可以代表符号、过程或任何具有结构和组织的东西,取决于上下文。在西方和印度,Yantra的一种流行的形式是一个几何图形,如交错的三角形,传统上用于印度教和佛教作为一个神秘的图表。

玛赫西手稿里还提到了“lon推进器”。lon推进器可在宇宙飞船上使用,它通过电加速离子来产生推力。第一个关于lon推进器的实验是由克拉克大学的罗伯特·H·戈达德进行的,然后哈罗德·考夫曼在1959年建造了离子推进器,使用水银作为推进剂。格伦研究中心在19647月将这台发动机在太空电火箭测试1号(SERT 1)上进行了亚轨道飞行,成功运行了31分钟后坠落地球。它使用了以汞和铯为反应质量的静电离子推进器,主要是因为汞在室温下是液体,而铯是固体,因此很容易储存它们,它们应该被加热成气体,以便使用它们作为推进剂。但主要的问题是铯是放射性的,而汞是神经毒素,因此如果一些气体泄漏到地面,可能会对健康造成危害。因此科学家们决定使用无味的氙。无色不活泼的气体代替水银。氙离子发动机曾被NASA测试过,但至今没有进入实用。汞离子推进器技术的详细信息可在NASA1989年发表的“Mercury lor thruster technology”报告中找到,该报告由休斯研究实验室的J.R. BeattieJN Matossian撰写。种种证据表明,玛赫西手稿中的维曼拿技术,至今人们的认知只是冰山一角,许多古印度人掌握的某些先进科学技术,我们目前都无法理解。

三、Sundara 维曼拿的设计依据

1)飞行原理

目前人类可制造飞行器分类主要有航空器、航天器、火箭、导弹、制导武器等。对于UFO飞碟和古代飞行器维曼拿,比较陌生。对于飞行器而言,飞行环境包括大气环境和空间环境。大气环境下飞行器会受到空气和重力作用,而在空间环境下则没有这两个因素的影响,UFO飞碟的飞行似乎与空气无关,业已发现的UFO飞碟中许多在空气中飞行似乎就和它在真空中飞行一样自由,完全不受空气动力学原理的约束。但对于维曼拿而言,主要飞行环境却依然还是大气环境。

大气中的飞行器动力来源主要依靠空气的反作用,可分为螺旋桨式发动机和喷气式发动机。维曼拿的起飞和飞行原理与直升机有异曲同工之妙,它们能够垂直起降、低空飞行和悬停;相比之下,UFO飞碟则没有像直升机那样的旋翼。所以,维曼拿的动力我们将其设计为喷气式发动机。

)能源

玛赫西手稿中 Sundara维曼拿的章节详细讲解了发电机,共有32种发电方法。其中一个被描述成一个罐子或容器,里面有类似水银的东西,还有一个太阳水晶。这种混合物以某种方式产生并储存电力。另一种是一款大型金属板储电装置,手稿中有如下描述:“为了将这种能量储存在储存容器中,6英寸长的钢管将容器底部与储存容器连接起来。用鹿皮覆盖,用丝绸或纱线缠绕它们。两根铜线穿过管道连接到储罐上。这个容器里放有100帕的水银。”

玛赫西手稿还描述了各种飞机的推进系统。主要包括化学推进系统和电力推进系统。化学推进系统中,热气流由推进剂化学反应产生。电推进系统中,推进剂则利用电力来加速。玛赫西手稿中汞推进剂有重点描述:“发电过程中,汞用于电力储存,装有100帕汞的容器可产生800帕的电。”

3)其他特性

根据对玛赫西手稿的破译,我们提取了维曼拿区别于现代飞行器的两大特征:

1)隐形,维曼拿可按照其主人的意愿出现和消失。

正如《瓦尤塔塔瓦·普拉卡拉那》(马赫西手稿中提到的古印度文献)中所解释的那样,通过地球第八大气层的能量雅沙、维雅沙、祈祷沙来吸收太阳射线的黑物质,并利用它来隐藏维曼拿不被敌人发现。近年来,一篇关于现代飞机隐形的研究文章指出,通过研究阳光和太阳射线的类型,从太阳中提取能量,使飞机像古代维曼拿斯那样隐形,这种思路至少在理论上是可行的。

2)意念控制,基于飞行员的思维能力飞行。

这是一个非常吸引人的概念,前些年它还是一个幻想,但近年来这一课题正在被全世界广泛研究。近年来,明尼苏达大学和慕尼黑工业大学的学者们在该方面取得了重要成果,预示了维曼拿斯意念控制概念背后的技术可能性。

四、Sundara维曼拿的结构

以下为同济大学沈海军团队依据马赫西手稿,对Sundara维曼拿结构进行的复原设计。

1)结构组成划分

Sundara维曼拿是一种有人驾驶的运输工具。它可以像火箭那样垂直起飞,像载人飞船那样在轨道上运动,像飞机那样水平飞行,而且它可以突然出没、快速移位、直角转弯、随意转向、垂直起降、高速行进、空中骤停、空中静止、飞天入海、发出亮光、安静无声、电磁干扰、瞬间加速等。根据马赫西手稿描述,Sundara维曼拿是由8部分组成:地板、空心桅杆、发动机、金属管、喷嘴、发电机、水泵、外壳所组成。分别介绍如下:

(1)地板:由金属制成,圆形,周长100英尺,维曼拿内部空间内共5层底板。

(2)空心桅杆:空心桅杆是一个高圆柱形的部件,底部有储存气体的能量。水容器、油罐被安置在中心。在它的脚上,电被储存在一个容器里。

(3)水泵:由燃油机驱动水泵,产生水流。其安装在维曼拿中央,由18部件构成:蓄压器烤箱、水容器,阀门控制烟开放、监管阀、热指标、温度、时间速度计、乐器、风箱和铜管等。

(4)发动机:由12个部件组成,包括:阀门调节进口出口、新鲜空气压缩与排气、空气引导叶片等。这个系统包括一个空气压缩机,压缩空气喷射可获得推力。通过空气压缩机进行的压缩空气,通过主桅杆内部,在未端汇合,高速喷出,从而高速飞行。燃料为氧化剂、燃料(油)和其他添加剂组成的固态混合物,其他添加剂还包括:调节燃烧速度的燃速调节剂;改善燃烧性能的燃烧稳定剂;比用基本的粘合剂更好地改善力学性能的增塑剂;降低机械感度的安定剂;改善储存性能的防老化剂;改善工艺性能的稀释剂、润湿剂、固化剂和固化催化剂等。

(5)喷嘴:实际推力是通过将大量高能工质通过Sundala或喷嘴来获得的,这显然是基于反作用力原理。 这些喷嘴在不使用的情況下,被卷在旋转鼓上。使用时,它们展开来并保持紧绷,气体工质通过喷射产生推力而释放出大量的气体。40个这种喷嘴正确被固定在选定的部位,喷射喷嘴获得推力也用于垂直和尾部运动和方向控制的工艺,这样可以使维曼拿平稳地飞行。

(6)发电机:用四个方向的四个发电机和一个中央发电机来生产电力。四周发电机上方中心固定两根搅棒进行正向和反向搅拌。用吸收太阳能的玻璃制成四个容器,形状像捣碎砂浆所使用的竹筒,并固定在这四个容器的口上。来自四面八方的射线被它们吸收,白天储存的电量储存于储电容器。中央容器形成一个发电的蓄电池。太阳光线吸收晶体是吸收热量的主要介质,通过一个复杂的过程来转化为电能。

(7)金属管/电线:能量通过金属管中的电线传输到存储容器中,并由晶体吸收。在存储容器的前面,安装有一个5英尺长,3英尺高的圆形容器。

(8)外壳:发动机壳体不仅要承受飞行过程的气动压力和气动加热,作为燃烧室还要承受高温高压燃气的作用,同时作为导弹的主要结构件必须承受各种机械应力作用,因此必须使用高强度/刚度、韧性好、耐高温、密度小的轻质材料。

2)功能区域划分

维曼拿整体外形结构、几何尺寸如图3所示。从上往下,核心区在123层,电力区在4层,动力区在第5层。下面分别针对维曼拿的三大部件:核心区,电力区和动力区进行介绍。

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3 Sundara维曼拿外形结构设计图

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4  Sundara Vimana分区示意图

1)核心区

第一部件是核心区,它是整个系统的核心。由3层机舱组成,如图4所示。上段结构可分为头锥、乘客舱、驾驶舱三部分:①头锥处于维曼拿的最前端,具有良好的气动外形和防热系统;②前段的核心部分是处于正常气压下的乘客舱,并提供了视线良好的外窗以供乘客观察外界环境。③驾驶舱供专业人员驾驶维曼拿,这个驾驶舱中配备有先进操作设备。总之,驾驶舱与乘客舱提供宽敞的空间,人们在舱内可穿普通地面服装工作和生活。一般情况下驾驶舱舱内可容纳10人、乘客舱可容纳6人。

核心区的底段(第三层)主要是有效载荷舱(货舱)。这是两个长17英尺、宽6英尺、高5英尺的大型货舱,舱内可以装载各种武器等。

2)电力区

维曼拿的第二个部件是电力区,它的作用就是为维曼拿的主发动机储存所用的全部电力。电力区分布在维曼拿第4层,包括太阳能接受区、储电区、电力传输。储电装置高为9英尺,四周储电装置直径为2英尺,中央储电装置直径为4英尺。 

3)动力区

动力区主要装水动力发动机(气水混合腔+气水分离舱)、40个喷嘴。尾段还装有反作用控制系统。反作用控制系统用来保持维曼拿的飞行稳定和姿态变换。

       五、维曼拿的动力系统

1) 康达效应

康达效应(Coanda Effect),亦称边界层吸附效应、附壁作用。如图5所示,流体、水流或者气流有离开本来的流动方向,改为随着突出的物体表面流动的倾向。如果将空气穿过一个圆形设备从上面吸到下面,将有效降低应该圆形设备上面的气压,同时增加它底部的气压,这时它就能悬浮起来。

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 康达效应示意图                     水动力发动机模型

对于维曼拿,用几个水泵制造连续流动水滴,通过无数细密管道快速大量用水滴包走空气,来使飞碟上部空气迅速稀薄接近真空状态。由于自然界排斥真空,所以周边空气会在地磁的影响下迅速的填补这个真空,这样一来造成气流变化而产生升力托起飞碟垂直上升。

中央是进气的涵道风扇,周边是一圈小喷嘴,发动机产生高压排气,通过周边的喷嘴喷出,拉动上方气流,在上表面形成康达效应,沿上表面高速从中心向周边流动,在飞行器静止的时候就可以形成升力,达到垂直起飞,重新调整周边喷嘴的气流分布,可以实现喷气推进。

2)水动力发动机-用水和空气做主要动力的无焰无烟发动机

1)原理:如图6所示,上部人右手握的部位连接有水管,最顶部那个漏斗是吸气口。底部是一个电机带动的水泵,中心内部是一些蜗型盘旋状的密集细管。照片中的人左手握着的是电源开关。上部水管流动的断续水包含空气进入气水混合小舱混合。然后通过下部水泵的抽吸顺蜗行细密管道流入下部大气水分离舱分离。分离出来的气从泄压阀卸除,而水从水泵里再次送上顶部。因为分离舱和混合舱必须交互,所以混合舱的中心管道通向分离舱的底部水里。由此可见,将上部的空气用水滴包入管道,运输到下部后分离气水。这个过程唯一消耗的动力是水泵,除水泵动力外也基本不产生什么热气。

喷气作动力,气靠水推动,所以先混合再分离。水从下被驱上,包气而下;每滴水包走一团空气,循环不端地运载空气;水在管道里高速螺旋奔跑;磁场分布;上部气水混合,下部气水分离。

2)压缩空气:飞机或导弹高速飞行中,进气口与空气摩擦因为高温容易产生真空,而导致发动机缺氧推力剧烈下降。为提高飞行速度和推力,他们当时想了很多办法来增大进气量,但是硕大的进气口同时又导致巨大的阻力。(看来反推法是有极限的),他们设计了涡轮增压装置,将气吸入后进行压缩后喷出来供应发动机吸气需求。通过这个装置就可以将进气口设计得比较小,飞行阻力也就相应减少很多。

至于想要水平飞行那就很简单了,在飞行器的裙部也有几圈吸气孔,调节和关闭相对的吸气孔就可以使前方产生真空而后方无真空,这样导致气流横向跑动推动飞行器横飞。

3)效率:水滴循环的越快,飞行器功率就越高。当1滴水从管子的头部流到尾部的时候,这滴水就驱赶了一根管子容积的空气。当第2滴水进管子的时候又可以驱赶1根管子容积的空气,如此循环不断。假设这个管子够长(环绕蜗行排列),容积是0.001立方米,那么1000根细管和水滴同时工作,那么每秒就可以从飞行器上部吸掉驱赶动1立方米的空气到下部。当12部这样的发动机同时工作时,就可以每秒吸掉12个立方米的空气。这是很惊人的。(大家想想现在飞机发动机每秒能驱动几个立方的空气)这12个立方的空气移动后必然产生风和升力托起飞行器。

这里的水是在起飞前自带的,因为在发动机中是循环使用的,所以不需要很多。水滴在上部包走空气后到下部气水分离器分离后再次循环到上部产生水滴。燃油机动力来驱动水泵。

3)矢量喷嘴

发动机喷管属于收敛-扩散型喷管(即拉瓦尔-DeLaval喷管),由入口段(收敛段)、喉部(喉衬)、出口锥(扩散段或扩张段)构成。喷管的设计对发动机的性能是至关重要的,设计不当,大量的能量将被浪费掉而不能产生推力。喷管有潜入式和外置式两种结构,潜入式喷管的入口段、喉部、部分出口锥都潜入到燃烧室内;出口锥有锥形和钟型两种构型,钟型喷管的效率高于锥形。

喷管喉径、出口锥构型和长度参数决定了喷管的膨胀比(或称扩张比,指喷口截面积与喉部截面积之比),直接影响到发动机的性能。最理想的状况是,当喷口处的喷流压力(喷管越长,喷口处喷流压力越低)与外部大气压力相等时,可得到最佳性能(最大推力),这称为喷管完全膨胀。

维曼拿的推力矢量控制系统为机械喷流偏转装置,如使用燃气舵。推力矢量控制系统用于改变推力方向,以获得控制力矩使维曼拿作俯仰、偏航或滚转运动,这样维曼拿就能按预定轨道飞行。喷管可以绕其中轴线做全向摆动(见图7)。

 

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矢量喷嘴示意图

 

    六、维曼拿的控制系统

维曼拿包括垂直起降和水平飞行2种不同的控制,而且要求这二者有机地结合。控制系统要保证维曼拿在各种飞行状况下正常执行任务和安全可靠地运行。

1) 维曼拿系统的传感器

为了确定维曼拿的航线和姿态,维曼拿系统上采用了9种导航和姿态测量设备,总共40个传感器,在很多场合下把这些航线和姿态测量简称为导航。

1)惯性测量单元

维曼拿采用三套惯性测量单元,以并行冗余方式装在一个整体结构里。为了保证惯性测量单元的测量精度和对它进行校准的精度,位于维曼拿的前舱。每套惯性测量单元由四框架平台、电子设备、输入/输出装置和电源4个主要部分组成。平台框架的安装方位从内向外是方位轴、内滚动轴、俯仰轴、外滚动轴。第四个框架作为冗余,以保证大姿态运动时框架不少于3个自由度。

2)驾驶员光学瞄准具

它由准直仪、光学十字线、光束分离器和光源组成。驾驶员可人工操作光学瞄准具对惯性测量单元进行校准,同时也可以用来检查发动机关机点的核心区姿态。

3)速率陀螺

它作为维曼拿的姿态和速率测量的敏感器,共采用10个,用在上升、离轨和再入着陆阶段,用于俯仰和偏航通道的测量。

4)气动参数测量系统

用来测量核心区在离轨阶段与环境相对运动的信息。共有两组,分别装在核心区左右两侧,每组含有测量环境温度和压力的两个敏感元件,共四套。这些相对运动参数可供离轨阶段核心区进行软件处理时使用,可为航天员提供专门显示,在操纵核心区时使用。

5)雷达高度表

根据无线电波反射原理,直接测量维曼拿离地面的高度,而不要求地面辅助。该装置用在核心区着陆阶段。维曼拿上安装两套作为双重冗余系统。

6)加速度计

在核心区前电子设备舱装一套横向和法向加速度计,用来测量和控制维曼拿的过载。加速度计量程为±1g,精度为±0.06g

2) 维曼拿系统的执行机构

1)动力系统

维曼拿的主发动机采用的是水动力发动机。它为维曼拿提供主要推力。每一架维曼拿上装有1台主发动机,它们的配置中心桅杆部分。 并装有40个矢量喷嘴,位于动力区底部。

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动力系统示意图

它能自动完成发动机起飞前的飞行准备检验,在核心区上执行发动机测试、启动和关机等功能,能对发动机的温度和压力等性能参数进行监控,并以闭环方式对主发动机的推力、混合比(推进剂油门)和推力方向(喷管摇摆框架)进行调节。

每台发动机均由推力矢量控制系统、分离、回收、自爆安全、电子设备、推力终止、故障检测等分系统组成。 

2)机动系统

机动系统的主要功用是为维曼拿提供转变飞行方向所需要的推力。机动系统安装在位于后机身两侧对称位置。机动系统采用推力矢量控制,发动机喷管装在两轴摆动框架上。

机动系统与维曼拿的另一个执行机构系统,即反作用控制系统的推进剂管路是互连的,可从机动发动机储箱向反作用控制系统提供推进剂,也可在左、右两侧的机动发动机和反作用控制系统之间交叉馈给推进剂。

3)反作用控制系统

反作用控制系统为维曼拿提供三轴姿态控制和航线控制所需的控制力矩和控制力。

反作用控制系统可以分为独立工作的3个部分,即机身前部头锥内的前舱系统和分别位于航线机动系统的两个外吊舱内的左、右舱系统。主推力器对维曼拿进行正常状态的姿态控制。

3)维曼拿的飞行控制

维曼拿每次飞行所执行的任务是各不相同的,所携带的有效载荷也是多种多样的。但是,无论执行什么任务,携带哪些有效载荷,维曼拿的基本飞行过程都是相同的,可分为3个主要阶段,即上升段、飞行阶段、降落阶段。下面简述维曼拿系统3个基本飞行阶段的过程和控制。

1)上升阶段

维曼拿的升空与一次使用的消耗性运载火箭十分相似。维曼拿起飞前,全部系统将被垂直地装到发射台上,开始发射前的最后准备工作。维曼拿控制系统可以利用每台发动机和助推器尾喷管所具有的两轴摆动能力组合成滚动、俯仰、偏航三轴姿态控制。

2)飞行阶段

利用机动系统,能够完成机动、修正和保持;利用反作用控制系统,维曼拿可以采用任何所希望的飞行姿态并加以保持,可以使它的敏感器固定轴指向某一地面目标或空间目标,以满足有效载荷的要求。

3)降落阶段

在降落制动点火瞬间,反作用控制系统要确保核心区处于精确的降落姿态。在制动点火的同时,反作用控制系统也与机动系统一同工作,保证平稳降落。

七、参考文献

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西北工大学士(1993年)、硕士(1997年)、博士(2000年)、南京航大博士后(2002年);现任同济大学航空力学学院教授,兰州交大兼职教授,博士生导师,飞行器工程所所长。 担任《The Open Mechanical Engineering Journal》杂志编委;教育部教学指导委员会成员。中国纳米艺术第一人,中国昆虫动力飞机第一人,中国三维打印飞机成功设计与试飞第一人。 主要研究方向:飞机设计、疲劳断裂、纳米力学等。已发表论文200余篇,其中,SCI检索30篇余篇、EI检索50余篇。承担或参加过国家863、国家自然基金、航空基金等多个项目。著有《纳米科技概论》、《新型碳纳米材料-碳富勒烯》、《近空间飞行器》、《纳米艺术概论》、《航空航天概论》、《千姿百态的纳米花》等著作。 联系方式:shj@tongji.edu.cn 上海市彰武路100号,同济大学航空与力学学院,200092

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