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知識大圖解:噴射背包

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噴射背包的概念 100 年前首度出現,至今現代科技終於讓個人飛行的美夢成真。

1920 年代的科幻雜誌《驚奇故事》(Amazing Stories)中,巴克.羅傑斯(Buck Rogers)駕著噴射背包打擊犯罪,開啟了人類對未來飛行的想像。

噴射引擎吸進空氣後,會將空氣與燃料混合並進一步壓縮點燃;這股高壓熱氣經過渦輪,從狹窄的噴嘴噴出,藉此產生推力。製作噴射背包有個不變法則,就是盡可能把一具以上的強力引擎掛載到背包上,讓人背上背包就能在空中恣意飛行。然而,早期的噴射引擎太大了,不可能背著,所以唯一的替代方案就是使用火箭;火箭跟噴射引擎的運作原理相似,但火箭並不吸入空氣,而是透過本身裝載的燃料產生化學反應提供動力。

第一款正式嘗試製作的噴射背包是1953 年的「火箭背帶」,由溫德爾.摩爾(Wendell Moore) 發明,使用的動力為過氧化氫火箭。氮氣加壓使過氧化氫通過銀觸媒而快速分解成水蒸氣與氧氣;氣體以每秒 1000 公尺的速度從噴嘴噴射出來,產生的推力超過 125 公斤,但這股推力只夠讓火箭背帶和飛行員升空 20 多秒。火箭背帶 70%的燃料都花在抵消重力,因此飛行時間嚴重受限;攜帶更多燃料,火箭背帶就會過重,因此即便多次改良設計,也採用質量較輕的現代材料以減輕重量,過氧化氫火箭背包仍無法飛行超過一分鐘。

解決燃料重量的方法之一,是將噴射背包接上一根彈性輸送管,連接地面上的燃料來源。 然而,若要將噴射背包當作長程交通工具,這方法似乎一點也不實際,但對捷雷(JetLev)水力噴射背包等娛樂用機型來說,卻可以有效延長飛行時間,而且機器不會重到飛行員負荷不 了。另一個方法是提升引擎效率;噴射引擎科技已經進步到足以製作出能裝在背包上的小引擎,讓現代人能開發出真正的噴射背包飛行器。

1960 年代晚期,火箭背帶的發明者摩爾就率先嘗試搭載特別設計的噴射引擎,結果成功將空中停留時間延長至 20分鐘,飛行時速則達到 97 公里。可惜的是,強大的噴射動力、昂貴的易爆燃料,加上低科技降落傘系統,導致噴射背帶既不實用又非常危險。

時至今日,搭載噴射引擎的個人飛行器中,瑞士發明家羅西設計的噴射飛行翼十分令人驚艷;半硬式的碳纖維機翼全翼展約莫兩公尺,裝在四具改良版煤油噴射引擎上。噴射引擎動力強大,因此頭部、手臂、肩膀只需些微動作便可操控飛行翼,但也因此無法從地面起飛,只能以直升機載上高空;引擎運作方式就像加上動力的自由落體,讓羅西得以超過 160 公里的平均時速在空中飛行。

要延長飛行時間還有另一個辦法,亦即完全放棄噴射動力,另覓他法騰空飛行,而馬丁噴射背包就這麼誕生了!

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馬丁噴射背包棄噴射引擎改以雙導管風扇製造升力;兩具碳纖維克維拉(Kevlar)風扇分別搭載於飛行員的兩側,由專門定製的 V4 引擎驅動,導管的進氣口稍寬於排氣口,空氣高速流經導管,產生的推力不僅足以讓噴射背包與飛行員升空,還多出 50 公斤的推力可以因應急遽變化的高度。馬丁噴射背包的攀升速度每分鐘可達 250 公尺,而導管風扇設計與汽油引擎將馬丁噴射背包的極速推至時速 74 公里。馬丁噴射背包飛行時間高達半小時,而且不需補給燃料便可飛行將近 30 公里;厲害的是,無人試飛時,馬丁噴射背包的飛行高度竟然可以超過 1500 公尺。

設計噴射背包是一回事,但飛航安全又是完全不同的挑戰。噴射背包的飛行測試包括假人撞擊測試以及短程低空飛行;模型機從短距的兔跳(bunny hops)開始逐一施測,會經過多次改良並加強穩定性,直到可以順利升空;升空後,測試機便由遠端遙控,另有一條繩子栓於地面,失控時還可以控制飛行高度。

如果噴射背包通過初期測試,下一階段便是由真人駕駛,但仍會有地面纜繩連結,讓飛行員可以在安全環境中操作;接著,全面測試會提高飛行高度,改良科技之後,就會再度進行假人撞擊測試,而高空測試也可以檢驗安全機制。駕駛噴射背包的潛在風險很高,不僅燃料易燃,引擎在空中故障的話,後果也會相當慘重。

現代噴射背包都使用高科技複合材料,也都配有安全裝置,飛行員也會身著防火裝並配戴耳塞以對抗震耳欲聾的引擎聲;火箭背帶產生的噪音高達 130 分貝,跟氣鑽沒兩樣,雖然 馬丁噴射背包已經改善許多,但仍像置身洶湧的車潮,聲音高達 95 分貝左右。 飛行器本身也都配有降落傘;對飛行翼來說,降落傘是安全降落的必要配備,但對馬丁噴射背包來說只是緊急備用裝置。此外,設備通常都有浮力,要是降落在水中,飛行員就不會慘遭拖行到水面下。

儘管過去數年噴射背包已有長足進步,但仍面臨許多限制,無法如科幻小說中一樣完美; 噴射機燃料重量不輕,要價昂貴,而儘管導管風扇提高了燃料使用效率,但目前為止體積仍然比我們想像的濃縮版噴射背包大上許多。行動不便是一大問題,馬丁噴射背包的風扇裝在龐大的導管外殼中,所以無法高速前後移動;羅西的飛行翼比較靈敏,但壞處就是起飛降落必須分別仰仗直升機與降落傘,不過這點羅西正努力鑽研,希望未來能從地面起飛。

雖然目前與科幻小說的噴射背包還有段落差,但這項新科技潛能無限,多國軍方、搜救 隊、緊急應變單位都對馬丁噴射背包大感興趣。馬丁噴射背包速度快,里程不差,也能前往陸路難及之處,此外尚能遠端遙控,所以進入極盡凶險的區域也沒有問題,甚或可以當作救援機,將人載到安全的地方。當然,終極目標希望馬丁噴射背包也具備娛樂用途。目前為止,各國航管部門尚不須煩憂噴射背包的問題,所以還未制定明確法規;若有需要,各地有關當局可以自行訂定規範。 紐西蘭准許真人試飛馬丁噴射背包的原型機,但規定相當嚴格,飛行員必須持有執照,離地也不得超過 6 公尺,離水面則不得超過 7.6 公尺。

開發完成的馬丁噴射背包預計 2015 年上市,可能要價 15 萬美元;研發團隊希望避開強制申請執照的規定,所以噴射背包的設計完全符合美國聯邦民航局現行針對超輕型載具的規定。 雖然巴克.羅傑斯的噴射背包尚未問世,但工程師已將個人飛行的夢想又更拉近現實一些。

本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 06 期(2015 年 3 月號)

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