风筝贝尔四面体

贝尔的风筝往事

1876年，一位29岁的美国青年从美国专利局申请了一份新型通话传输设备的专利，这堪称成为美国历史上最为赚钱的...

1876年，一位29岁的美国青年从美国专利局申请了一份新型通话传输设备的专利，这堪称成为美国历史上最为赚钱的专利之一，这名青年的名字叫做亚历山大•格雷厄姆•贝尔（Alexander Graham Bell）。而他的专利，就是后来人们须臾不可离开的电话。

亚历山大•格雷厄姆•贝尔，电话的发明人，他曾在航空器领域做出过不懈努力，并组建了航空实验协会和美国国家地理学会。

电话给社会带来巨大的技术革新，而它对于贝尔的一个直接影响就是，他银行户头里的资产很快变成了一组不断增加的天文数字。随着贝尔永远不需要再为赚钱操心，在他的手札上，出现了许多新技术。最令人称奇的是，贝尔曾花费大量精力去设计和试验飞行器——在当时重于的载人空气飞行器是一个既热门又矛盾的研究领域，科学界许多人都认为，人类无法解决载人飞行的技术难题。但在贝尔精心制作的记录文件中，我们能看到他在20多年间进行了近1 200次飞行试验！贝尔不仅自己组织实验，还在1907年与格伦•柯蒂斯（Glenn Curtiss）、威廉姆•拜德温（William Baldwin）、托马斯•塞尔弗里奇（Thomas Selfridge）和约翰•麦柯迪（John McCurdy）等4个年轻的工程师组建了航空实验协会（Aerial Experiment Association，AEA），并亲自担任主席，共同开发航空器。贝尔的这4位合作者后来完成了加拿大首次动力飞机载人飞行，并根据贝尔的建议发明了副翼。AEA还进行了美国首次飞机公开飞行，当时莱特兄弟的飞行还处于秘密状态。

贝尔对飞行的兴趣同样来自强烈的好奇心。在青少年时代，他也研究过鸟类的飞行动作，并制作过简陋的机翼和螺旋桨。富裕起来后，贝尔还出资资助了老朋友、飞行大师萨缪尔•兰利（Samuel Langley）的飞行试验。到1895年，兰利进行了首次重于空气飞行器的动力飞行。贝尔坚信人类能实现飞行梦想，他公开宣称，“我不能置身于航空探索之外，有朝一日我们一定都能飞起来”。

1896年贝尔的飞行梦想遭遇了一次重创：这一年德国飞行先驱李林塔尔在滑翔事故中不幸丧生。贝尔开始严肃地考虑载人飞行的安全问题。在此后贝尔的飞行试验中，他贝尔始终关注飞行器在空中的稳定性和安全性。在日记中，他这样问自己，如何在不进行实际测试，不让人坐在可能存在设计缺陷的飞行器上，而又能检验设计思想呢？

1902年拍摄的贝尔试验过的圆筒形组合风筝

贝尔正在测试圆环形风筝，1908年。最右侧蓄络腮胡子者为贝尔。

贝尔很快发现风筝是个好办法。他并非最早想到风筝的人，莱特兄弟最初也是用巨大的双翼风筝开始试验，他们早期的载人滑翔机也非常类似风筝。1898年6月，贝尔在给妻子玛贝尔（Mabel）的信中写道，“在我看来，风筝飞行试验对于开发实用飞行器的重要性与日俱增”。到1899年，贝尔已经试验了许多不同类型的风筝：圆筒形的线轴风筝、辐射形风筝、以及澳大利亚人哈格雷夫研制的箱形风筝。

贝尔的风筝试验大多在加拿大新斯科舍省的巴德克（Baddeck）进行，当地的邻居们，甚至许多科学家都认为贝尔是“一个花费大量时间放风筝的傻子”。附近一个船工这样描述他：阳光明媚的午后，他来到小山脚下，带着一大堆愚笨的东西，花上一整天放飞它们。他还立了一块黑板，在上面记下那些在空中东摇西晃的风筝数据。他的那十几个风筝造型都十分古怪，飞的也不好。我要是自己去放风筝，肯定比他强！但贝尔不理会这些，他关注的是飞行器的稳定性，而不是速度。

贝尔正在向公众介绍自己的四面体多单元风筝框架结构，1904年。

贝尔试验了各种尺寸的风筝。其中一种被称作“巨无霸”（Jumbo）的风筝足有一个房间那么大。在试验中贝尔发现风筝越大，其飞行性能越差。但贝尔也通过实验发现，多单元组合式风筝可以在增加升力面积和稳定性的同时避免风筝过于沉重。通过多次试验，贝尔认为四面体结构单元效果最好，以四面体单元组合而成的风筝比箱形风筝更坚固且性能更佳。贝尔设计的这种四面体多单元风筝，不仅是一种新颖的风筝结构，后来更演变为一种建筑结构方式。

贝尔四面体多单元风筝中的四面体单元边长10英寸（25.4厘米），外部覆盖红色丝织品，为了缝制蒙布，贝尔聘请了一大批家庭主妇来穿针引线。贝尔非常喜欢这种颜色，原因是它在照片中相当醒目。在试验中有一次风筝坠毁，周围村庄里的小女孩纷纷跑来，竞相瓜分风筝表面的丝绸，用来制作洋娃娃的衣服。1903年，贝尔把风筝的骨架材料从云杉木换成了铝管，并为自己的四面体多单元风筝结构方式申请了专利，1904年专利获批，此后这种结构方式及大地影响了建筑工业。

这张饶有味道的照片摄于1903年10月16日，贝尔夫人玛布尔手持四面体风筝框架与贝尔接吻。

贝尔拖曳风筝升空的方法五花八门，他尝试过用马匹、汽车和船只拖带风筝。他最热衷于用船只拖带风筝，因为这样风筝就可以在水上起飞和降落，安全方面最有保障。贝尔用四面体单元组合成各种形状的风筝，他发现环形布局容易发生侧滑和坠毁，他还设计过一种称为“预言鸟”（Oionos，希腊文“预言鸟”之意）的风筝，这种风筝有短尾和横向翼状结构，贝尔认为这种风筝是“一种能够飞行的风筝，在解开拖缆后能够滑翔”。他设计的“霜之王”（Frost King）风筝有1 300个四面体单元，升力面积达440平方英尺（约41平方米）。1905年圣诞，贝尔用这种风筝把一个车夫的兄弟尼尔•麦克德米德（Neil MacDermid）的人送上了10米的高空，但那并非有意，而是因为在放风筝时这位仁兄意外被风筝拉上了天。这次有惊无险的意外让贝尔欣喜地发现，自己设计的四面体多单元风筝完全可能带着飞行员和发动机一起升空。

1906年贝尔在纽约航空俱乐部展览会上展出自己的四面体多单元风筝。请注意一名助手正在站在贝尔身后的风筝结构框架上，以演示其坚固性。

贝尔试图建造能够稳定安全飞行的四面体多单元结构飞机的愿望最终没能实现。在紧凑、轻量、可靠且功率强劲的航空动力诞生以前，航空技术的发展方向已经悄然转变。航空试验协会测试过贝尔最新的3 393个四面体组成的多单元风筝“幼天鹅”（Cygnet）。最初的试验是普通的无人飞行，后来在1907年12月6日，AEA成员、美国陆军中尉托马斯•塞尔弗里奇坐在风筝中央的一小块地方随风筝上了天，他通过移动身体重心位置来控制风筝姿态。这次飞行中风筝由一艘汽船拖带，上升到168英尺（约51米），留空时间达7分钟之久，这是“幼天鹅”唯一一次飞行。随着风力降低，风筝降落到水面，汽船烟囱喷出的浓烟完全遮挡了风筝拖缆。结果塞尔弗里奇和船员都以为对方已经切断了拖缆，故而全都没有采取行动，结果落在水上的“幼天鹅”被汽船拖着继续前行，直到风筝被巨大的水流阻力扯得四分五裂。这次以失败告终的飞行试验中，塞尔弗里奇大难不死，但他的好运气在1908年9月17日用完了：他在乘坐莱特双翼机飞行时不幸坠机丧生，成为飞机时代第一个罹难者，有趣的是，这次灾难飞行的飞行员，正是奥维尔•莱特（Orville Wright）。

贝尔设计制造的“幼天鹅”大型四面体多单元组合风筝

1903年6月号《国家地理杂志》上刊载了贝尔撰写的《风筝结构中的四面体原理》一文。

此后AEA的注意力转向了测试双翼滑翔机和其他飞机：红翼、白翼和“金龟子”（June Bug）以及“银镖”（Silver Dart），这些全都是贝尔的4位青年合作者的作品。其中最好的“银镖”，在1909年2月23日在加拿大进行了首次成功的动力飞行。这些试验贝尔都亲临现场，并创新性地提出了副翼概念。在“幼天鹅”之后，贝尔还花费了5年多时间，断断续续地实验动力版载人四面体多单元风筝，他先后制造了“幼天鹅”II和III，以及三翼版的“预言鸟”。这些动力风筝都没有能真正离开地面起飞——最好的“幼天鹅”III装上了70马力“土地神”转缸发动机，但也仅仅是在1912年3月的试飞中离地一两英尺（30～60厘米）。此后贝尔对飞机的兴趣逐渐减弱，他生命的最后10年里，注意力转向了水翼快艇。1919年，贝尔和威廉姆•拜德温合作建造了一艘水翼艇，并创下水翼艇速度世界纪录，该纪录一直保持到1963年。去世前几个月，贝尔还在采访中对记者说：那些总是坚持观察事物并加以思考，探究事物发生的理论原因的人，他们的脑力永远不会衰退。

“幼天鹅”II四面体多单元结构飞机

“幼天鹅”III装上了70马力转缸发动机，但只能在地面上几十厘米的高度跳跃，无法真正升空。

贝尔与拜德温联合制造的HD-4型水翼艇模型，该艇在1919年创下了114.04千米/小时的水上航行速度纪录，并一直保持到1963年。

在动力飞行器方面，贝尔没能成功，但他提出的四面体结构方式却演变成一种新颖的建筑结构方式，今天你看看大跨度穹顶建筑结构，以及高速赛车的内部框架，你就会发现四面体结构概念对后世的影响，而这一概念，就源自贝尔。

贝尔的四面体多单元联合结构后来被广泛用于大跨度穹顶建筑上

2011年一群英国艺术历史研究者复制了一具贝尔“幼天鹅”风筝，并将其成功放飞升空。