气船与飞机之比较及气船将来发展之途径*

气船自有德国齐伯林伯爵(Count Ferdinand Von Zeppelin)之研究改良，始渐致于实用。及欧战开始，其威力大显，即妇人孺子亦莫不知齐伯林之名矣。然飞船之用于军事攻击，今已为过去之历史，盖在欧战终了以前，飞船即不复用于轰炸。计在此时期中，伦敦共受51次之气船攻击，死1413人、伤3408人，财产之损失亦有数百万磅。但与此相抵者，亦有18只气船及其驾驶人员为飞机及高射炮所击坠;有8只气船在其回程中为协约军所毁;更有3只气船在其格纳库中为英国飞机所击毁。故在欧战末期，气船已为飞机所制，而失去其军事上之价值矣。

1918年复有4只气船在格纳库中毁于火，于是齐伯林气船不复现于轰炸战中，而氢气之不宜用于气船，亦可显见。吾人试考气船之全部历史，其中特殊而成功者惟Los Angeles号及Graf Zeppelin号二船而已。而此二船又皆为德国所制。其他英、法、意、美诸国所制之气船无一不失事而终其运命。然不论德国之制造术是否较胜于他国，抑其驾驶术是否较精，气船之历史过短，吾人所制之气船过少，尚不能断言其果否能致诸实用也。盖德造气船共127只，美造3只，英造5只，法造1只，而意国所造不过半硬式之小气船而已;故全部合计，亦不过140只。今日公认为交通之利器者，如火车、轮船、飞机，如其制造总数不过140只，则必无今日之成绩也。吾人决不可因R101号之毁于火，Akron号之沉于大西洋而以为气船无发展之价值。故必以正确之目光，比较其长短，然后更研究其改进之途径。此则本篇之目的也。

一、气船与飞机之比较

(一)气船与飞机不同之点

气船与飞机不同之点有三：

为飞行之效率;

为其最经济之吨位;

为旅客之安适。

约言之，飞行效率影响其飞行之距离，及其所消耗之燃料，故与其费用有关。气船在此点上，变化甚大，须以其载重大小及速度而定;飞机则无甚变化。至于吨位方面，气船以大为宜，飞机则以小巧居胜，故如一航路之营业不繁，则宜用飞机。盖如用有高效率之运输器而不能满载，反不如用一效率较低之运输器而能满载也。旅客之安适问题，虽不能如上列两者之重要，然在与其他交通工具相竞争时，则甚重要。

(二)飞行之效率

言飞行器之飞行距离，普通皆知气船远胜于飞机，盖一飞行器之飞行距离，可以下式计算：

R=(375η /F)×(w/W)×(L/D)

其中，η =螺旋桨之效率

F=每一轴马力时所须之燃料(磅)

L/D=举力与抵抗力之比

R=继续飞行之英里数

W=总重量

w=起飞时所带之燃料量(磅)

然η ，F及w/W三者，无论在气船或飞机皆甚相近，故两者惟一之分别，即在L/D因数。然L/D又可代表一飞行器之效率，盖抵抗力为吾人之损失，举力为吾人之所得。L/D愈大，即表示所得多，而所失少，故飞行效率高。飞机之L及D，皆为空气动力;而气船之L为静力，D为动力，有此根本性质上之差异，L/D之值与飞行速度之关系亦颇有不同。飞机之L/D，其变化甚小，在低速度时，翼面之仰角甚大，其效率不佳，故L/D较小。速度渐增，L/D之值亦渐大，然不久即止，盖过此则机身之抵抗增加甚速，故虽翼面之效率略有增进，亦不能使全机之L/D改进。如速度更增，则增面之仰角更小，其效率亦渐减，而又以机身抵抗之急速增加，全机之L/D必减小更速。然此种变化如与气船之L/D比较，则甚小，盖飞船之举力非由运动而来，故其值不变。因速度而变化者，惟抵抗力。速度为零时，无抵抗，故L/D=η ;速度渐增，则抵抗亦增，L/D之值遂减。

图1中所示，即L/D与速度之关系。其中一为美国海军飞船Akron号，一为Lockheed飞机公司所造之Vega式飞机。前者为新式之气船，后者亦为高速度飞机中之优秀者，故可用为气船及飞机特性之比较。图中所示情形与上所述完全相合。其实飞机各种翼面之L/D，其出入甚小(见表1)，故即不计入机身之抵抗，其平均最大值亦不过20。

 

图2中之水平直线，即表示此最大值，亦即飞行之最大可能的飞行效率，图中之其他曲线即表示各种大小之气船，在不同速度下之最大可能之L/D比。吾人欲求此数值，须先设立每一立方英尺之氦气，其在一般空气情下，净举力为0.0594磅，故图1 L/D 与速度之关系

L=0.0594V

又据N.A.C.A之变压风洞试验结果，飞船船身之抵抗系数如下式：

CS=0.222R-0.15，其中R为Reynolds Number，即9330V 1/3，V为速度(英里/h)，故全抵抗即

亦即

由此公式，吾人可计算各种重量之气船在不同速度中之L/D比，其结果如表2。图2之曲线，即利用此表中之数值制成。吾人自图2，可得一极有价值之结论，即气船之L/D比，不但因速度而变，其值又与其排空量有关：气船愈大，其效率亦愈高。

若其总重为1000t，则即在180英里/h之高速度，其效率亦高于飞机。今更计算飞机及气船飞行效率相等时之速度，亦即气船之L /D 为20时之速度。

故：

计算之结果，列于表3及图3。

表3　飞机气船效率相等时之气船速度

由此可见，以效率而论，则气船之于大型，必300t以上，始能见其长，故今日所造气船，决不能为优劣之评判也。

(三)最经济之吨位

以上所讨论者，皆为L/D之种种关系，此数虽可代表全机飞行之效率。然精密言之，吾人可利用者只全举力中之一部分，亦即除机身本体重量外，所余之举力。故吾人在考究全机之L/D比以外，更须知空重在总重所占之百分率。此比率愈小，则实际上之飞行效率亦愈高。

夫飞机所恃以飞行者，为翼面。然翼面之举力与其面积成比率，即长度之平方成比例。而其重量则与长度之立方成比例。因飞机之翼，皆如一梁，中负机身之重量;而举力则平均分配于翼面。而每英寸翼面其所负之举力与长度成比例。其所生之曲力矩则与长度之平方成比例，故其重量必与长度之立方成比例。此虽就同一翼形及同一重量分配方法而言。如将机体重量分散于翼面而不令集中于一处，或改良机中之结构方法，皆可减小其重量。然因有此根本特性，此种变通方法，终不能避免此缺点。表4所示，为数种飞机其机身净重之分配;表5所列为今日数十种飞机之净重及总重，及其净重占总重之百分率。为明显起见，复用此表中之数值制成图4。由此可见飞机之总重如大于20t即不经济，其最有效之限度为10t以下。故谓今日飞机在吨位上，已与其限度不远，亦不为过言也。

至于气船，其重量之变化，亦犹飞机，吨位当有相当之限制。然因其结构与飞机相差甚多，故以今日之情形而论去此限制尚远。盖飞船之举力与其长度之立方成比例，其主要之骨架则与长度之四次方成比例，而发动机及外皮之重量只与长度之平方成正比。故在加大船身之初步，后二者之效果大于前者，其空船重在总重中所占之部分反可减小;非过一限度后不增也。

吾人在求空船重在总重所占之百分率时，不能用前段之方法，因今日所造之飞机其结构皆相去不远，而气船则各有不同，且其吨位亦过小。故必用理论上计算，今请择最新式之气船Akron号为标准。此船之总重约为200t，各部重量见表6。更设船身骨架重量之分配如表7。

由上两表，吾人可计算各部详细之重量分布，并假设其与船长之关系如表8。

将与船长关系相同之各部相加，结果如表9。

根据表9，吾人可计算气船总重与其空船重之关系，计算之结果，如表10。此种数值亦一并加入图4。

由此可见气船之结构方面，其最高效率在300t~2000t之间。故其发展尚未可限量也。

(四)旅客之安适

夫对旅客之舒适最有关系者为客舱之大小。今日之飞机其地位之狭小，可谓为公认之事实。此在短途飞行而有良好之通风，尚可过去，如欲长途飞行，此种设备，实过简陋。然欲加大客舱之容积，亦非易事;舱大则抵抗力增加，须更大之动力以推进之。但在气船则较易设法，盖气船之长度甚大，客舱所占之地位，只其中之一小部分，故欲扩充其容积，可只加增其长度，而无须加增其宽度，故结果在飞行时，其抵抗力必无若干之变化。反之飞机之长度自有一定之限度，加增客舱容积之惟一方法为加增之宽度，故抵抗力之增加必甚多。对旅客之安适有关者，尚有四端：

引起第一项运动之原因，大半为机身之一部分受一上升气流影响。故其摆动之强度与机身之面积成比例。今为比较之方便起见，令飞机与气船之外露面积相等，如此则在纵轴两方之面积相等，故引起摆动之力必相等。摆动之强度遂与此力之着力点及纵轴间之距离成比例。但着力点之距离与宽长比(Aspect Ratio)成比例。飞机之宽长比为8∶1;而气船则为1∶6，故气船之摆动强度在同面积、同风力之下，只飞机之1/48。然实际上，摆动之强度又与复原力成反比例。气船之重心在其浮力中心之下，故有极大之复原力;而飞机则无之(有之，惟因驾驶人之控制而生之副翼作用而已)。由以往之经验，知飞船在飞行中，其左右摆动之运动非常微小，通常旅客皆无此项之感觉。

至于俯仰之运动，飞机之情况与气船相差不多。其复原力皆为人为的。气船因其长度较大，故俯仰角增加，然因其重量分布于纵轴比较平均，故其周率小。飞机则周率大，因此旅客之不适，必为之增加。升降之运动，则因飞船之船身较大，故在同一上升之风力中，气船似较易受其影响。然实际上亦因其船身甚大，故无此大量之气流足以完全包围之。因此气船与飞机在此点上，无若干之分别。

若言震动，则因气船之客舱往往距发动机房甚远，故震动即可免去不少。飞机则因机身甚小，无法使发动机远隔客舱，故震动必较强。

(五)余论

以上所述，皆可见大气船之胜于飞机;然或有人以为气船只宜于长途之低速度飞行，如横断太平洋时。若用于短途高速度之飞行则为不可能矣。其实亦不尽然，今如以Akron号为例。此船之发动机重量连螺旋桨及动身传达装置在内共为50412磅。今以有效搭载量之半即85000磅为燃料之重，则此船动力装置之总重为50412 85000=135412(磅)

设在短途航行之发动机连螺旋桨在内，每马力重2磅，而每马力时用油半磅，则飞行6 h。可能之最大动力装置为X ，有135412=2X 0.5×6X =5X ，∴X =27080(马力)

Akron号之现在马力为4480匹，而其最大速度为84英里/h，故如有27080马力，则

速度=84×(27080÷4480) =158(英里/h)

其飞行距离为158×6=950英里

其他飞行时间之结果见表11。

表11 气船在短途航行中之性能

由此气船亦能作短途之高速飞行。然或以为速度增加，则船身所受之空气压力必增而有加重船身之必要。但此亦非不可避免者，盖高速度之气船可以减小其长度及直径之比率，令其粗短;如此可以增加其抵抗压力之能力，而不增其重量。

二、将来发展之途径

一切航空器之设计，其目标不外减轻重量及节省动力二者。如机身之重量可以减小，则搭载之能力即能增加，故其运用遂能更为经济。动力如能节省，则不但直接能减轻发动机之重量，又可间接使燃料之搭载量减少，如此燃料之费用自能节省。此固吾人所熟知者也。气船之设计，其目标自不外此，故其将来发展之途径亦可分为两方面，一即减轻船身重量，亦可谓结构上之改进;一即节省动力，亦可谓为飞行效率之改进。

(一)飞行效率之改进

今请先述此方面可能之发展。夫吾人所谓飞行效率者，即举力(L)及抵抗力(D)之比，即增加L/D之值。故达到此目的亦有二法，一即增加举力，一即减小抵抗力。在减小抵抗力方面，吾人之希望殊少，盖今日飞船之体形，大致与理想中之流线形相去极近。譬如在气船事业之初年，船身多作雪茄形，而今日则不复有用此种船身者矣。旧式气船之船舱及驾驶室皆悬于船身之下方，故受气流之冲击，而多抵抗。今日之气船如R100，R101，Akron及Macon号之客舱无不纳入船腹中。而Akron及Macon号且将发动机亦收入船室中，其动力用长轴及直角齿轮传于船身外之螺旋桨。Macon号之设计者，对减少空气抵抗方面，尤多努力。如螺旋桨之轴，覆以流线罩，此与飞机落地架所用者极相似;它如通风口、散热器等皆使不曝于风力中。

至于船身在空气中前进而引起之摩擦抵抗，据多次试验，知一般油漆过之织物，如无毛茸，则其抵抗大约相等。图5即其试验结果之一。试验法以欲试之表面，制成一圆筒，筒悬于木架上;筒外更套一筒，此筒转动时，内筒必亦随其方向而转，然因有悬线扭力之抵抗，其旋转只能到某一角度。此角度即可代表面之摩擦抵抗，试验时，内外两筒之间隔为0.250英寸。图中各曲线，代表各种不同之表面。然凡有油漆者，其差别即甚小。换言之，减小抵抗之希望殊少;然则增进飞行效率之惟一方法，为增加气船之举力。增加举力之方法，为

今请以Akron号为例：此船之总重量为403000磅，其有效搭载量约为40%，即160000磅，如做长途飞行，则其搭客量只其1/10，即16000磅。然吾人可以利用其能变更方向之螺旋桨，令其发生上举之力，即令其旋转之平面，自垂直方向，改为水平方向。在Akron号中，其螺旋桨在设计时，目的在发生向下之拉力，以便下降。然在将来商用气船中，吾人可令生上升之推力，此或须用变螺距之螺旋桨，然此固毫无困难。在Akron号，此项推力为15000磅;故当气船起飞时，可以利用此种人工的举力，令气船多载15000磅。此时气船虽在静止时有15000磅之过重，然船中亦有相当重量之镇船水，故在安全方面，可无问题。

当气船升入相当之高度时，吾人可以更改螺旋桨之方向，令入正常状况，如此吾人虽失去15000磅之举力，然可令船身上仰0°(此时升降舵之角度为0°)，如此在70海里/h之速度中，可以得到30000磅之空气动力的举力。故除去与起飞时15000磅之螺旋桨推力抵消外，尚有15000磅之多余举力。此种举力吾人自必须设法利用。其中之一法，可在起飞飞行场附近之陆地上，设数处邮件站。在此邮件站内，当气船飞过时，将邮件或其他特快货物用钓钩，钩入气船中，此当无若何之困难。故在起飞时，船中只载旅客，邮件及其他货物则在飞行中，陆续收入船中。至于安全问题，亦可无虑，因船中起飞后，尚100000磅之燃料及16000磅之镇船水，凡此皆可于危险时放弃，以恢复船之举力。而此30000磅之空气动力的举力，其代价不过略减气船之速度，及略加燃料之消费而已。此种情形在15h，即能完全改正，盖在飞行之初15h中，船中之废气水分收回装置，可以闭而不用，如此则船之燃料耗费即以1t/h计，15h中，燃料即可减去15t，即30000磅，此时不复须要空气动力的举力，船身亦即恢复其正常之飞行状况。

第二种增加举力之办法，即为加热于氦气，令其容积增大而比重减小，故其举力即可增加。吾入假设在起飞时，气袋并不盛满，而只有95%之气体，此盖为免去飞至2000英尺时，气袋过满，而有放泄气之必要。则吾人可在库中，用人工方法，加热于氦气，使其在起飞时，有加增之举力，然在飞入空中以后，因不断有冷空气流过气袋之外部，此种人工之热度必渐渐散去而气体之容积亦必渐渐减小，而比重加大，故此人工之举力，必渐渐失去。至于其变化之快慢，则因现在尚无一定之试验，吾人不能作一断语。然无论如何，假设使气袋中之气体温度高于外界10华氏度，吾人至少可增加9000磅之举力。然为安全起见，最好能有9000磅次要之货物，可以在危险时抛去，为减低散热之速度起见，吾人可利用发动机废气中之热量，因在最初飞行之数小时中，气船正在满载时，发动机之马力必在其最大限度，而同时因吾人急须渐渐减轻船体重量，故废气水分收回装置，必闭而不用。此时经过此装置之空气可引入气袋及外壳之夹层中，如此可利用废气中之热量，以阻气袋中热量之散逸。有此总总之方法，故吾人所设之9000镑外加举力，决非过多。

总上所述，二者之总加增，至少有39000镑。故有效搭载量增加31.1%。即吾人假设气船作短途飞行，其载客量80000镑，亦有49%之增加。故有效之飞行效率，亦可同样增加。

第三种增加举力之办法，为利用氢气。此气本为用于盛气袋者，然因其爆烈性过大，故美国之飞船皆用氦气;而本文第一部分之计算亦根据氦气之性质。其实可分气袋为两部，中心部盛以氦气，而外围部盛以氦气，如此火险即可免去，而因氦气之比重较氢气为小，故举力亦可加增。据1933年美国N. A. C.A年会论文，如用氢气为提士尔发动机之燃料，则气船之搭载量可加增62%，而其飞程亦可加35%。

凡此三种方法，其所费皆极少，故吾人可信其必用于将来之气船也。

(二)气船重量之减轻

今日之硬式大气船皆可归入齐伯林式。所谓齐伯林式者，即船身之主要骨架，由金属之纵架及横圆架连接而成，再加钢线以增其坚固。船之表面用布帛包裹，气体则盛于气袋，置于骨架之内。故船体之形状，不以气体之压力而保持。但如以为齐伯林式气船，其一切详细构造，皆必如以前之齐伯林气船，因英国及美国之气船，均不能为齐伯林式气船矣。实际上，除真正之齐伯林式而外，尚有四种类似之结构。即

在德国，其所造之Graf Zeppelin及正在制造中之LZ-129号，与其传统之齐伯林式结构相去极近。其圆架皆呈多边形，二主圆架之间，有两个或三个圆架，纵梁即连接各多边之角顶。钢线之张于圆架上者，所以用为气袋间之隔壁，其围绕船身者，用以抵抗尾部制控面所加于船身之扭力。副圆架之结构较轻而无钢线网。在船身之底部有一龙骨，为全船之脊，且又为安置镇船水、燃料箱、客舱及操纵室之地。而全部之前后交通亦赖以完成。在气袋及外层钢线之间，尚有一层较密之线网，此所以用以传达气袋压力到骨架者也。前者为剪力线，即上所谓围绕船身之网线。然各部所承担之责任，亦殊不能分明其界限。如气袋网亦负抵抗剪力之责，而剪力线亦能承空气所加于外皮之压力。而外皮又能增加全船之坚固。在一切之正统齐伯林式气船中，骨架皆由三角梁构成。三角顶为三坚铝(Duralumin)条，三主材之间再以小坚铝条钉固之，全体即成一梁，三梁之接头处皆借助于角板(Gusset Plate)

英国之R100号(排空量5000000立方英尺)及R101号(排空量5500000立方英尺)皆与上述之齐伯林式结构不同。二船之骨架无副圆架，且纵梁之数目甚少R100号中只16根;在R101号中，只15根。而Akron及Macon两气船中，皆有36根。因其纵梁之数目减少，故每一梁所承负之力量即加大，故其尺寸即可增加，因而设计较易，而其重量亦可减少若干。然因此其间空隙甚大，故在固着外皮时，不免有相当之困难。R100号与齐伯林式结构相差较少，因全体皆用坚铝。但其梁甚大，亦成三角形，三角顶之主材为三坚铝管，管由坚铝条螺旋卷成再用钉钉固;副材则为盒形铝梁，四向凿有小孔，以减轻其重量。R101号之梁，较R100号为小，然较齐伯林式气船为大，且其主材为三不锈钢管，副材则为坚铝所制。在R100号中，二梁之接头处，用一特制之接头架，有螺丝线可以伸缩，故在装置时，略有加减之余地。R101号则完全用梢钉连结，故无伸缩之余地，而在制造时，非十分准确不可。据云，在计算各处尺寸时，有15位数字之多。

美国之Akron号及Macon号其最主要之特点，在其主圆架之构造。圆架亦由三角梁构成，其一顶角向内，故向外之一面为平面。外方再加钢条，故其本身非常坚固。因此圆架上之钢线网可无需更担保持船形之责任，而可以令其有伸缩性。一气袋一旦破坏，而失其气体，则其两旁之气袋必压向空处;如在旧式之线网，因无伸缩性，此时骨架所受之力必甚大。新式之圆架则无之。其第二特点，为龙骨之数目。此船共有三龙骨，一在船顶，二在两旁，互距45°;因有三龙骨，船身之坚度及力量大增，而全船之交通亦便利不少。

吾人比较以上所述之各种结构方法，即可见美式最佳，故本篇第一部分之重量计算，即用为根据。故将来之气船，在构架方面，必向此途发展。在材料方面，主要部分可仿英国引用不锈钢，以免锈蚀问题。至于次要部分，因其负力不大，则以用坚铝为宜。而将来铝合金之用于气船，其量亦必渐多，盖此种材料较铝尤轻，其力量虽不能如坚铝之大，然在各种零件，则可利用之以减轻重量。此外冶金术日新月异，自必有助于气船重量之减少。而在1921至1923年之坚铝，其拉力不过每立方英寸30000镑。1931年造Akron时，已增到42000镑。最近美国铝业公司(American Oluminium Co.)更发明一种铝合金名为24ST者，其0.064英寸厚之薄片，拉力竟达每立方英寸65000镑。

然在所谓齐伯林式结构之外，亦有不少气船设计家，主张用完全不同之方法者。最近美国人Roland B. Respess发明一种新结构(图6)。其要点在一贯通船心之纵梁，自船首直达船尾;在此纵梁上，置车轮式之坚固圆架，其轴即此纵梁。圆架间则放置气袋。在圆架上，有纵向之钢线，并不固结圆架上，而有相当之活动性。钢线之两端结于船首及船尾。在船之腹部有一轻而有力之龙骨，连结诸圆架，而与中心轴同一方向。中心轴、圆架、龙骨及纵向之钢线，其所抵抗者，为曲力及剪力。此外尚有一组钢线，其方向并非平行于主轴，而与此成一小角度，故围绕船身而呈螺旋状，此即所以负担扭力者。在圆架之间，尚有数扎围绕船身之钢线，使气袋之压力能传达于主骨架。此种结构之特点，在设计时，各部力量，皆可精确计算，故既可免危险，又可减轻重量。Respess曾制成1∶30.2之模型，在纽约大学之Gugenheim航空学校试验，知其安全因数可达10以上，因此即有暴风亦不能破坏之。据其计算此种气船如载81人，能以100英里/h之速度飞行3000英里，每小时燃料之耗费，只有美金10元，而低速度之LOSAugdes却须25元。每船之建造费为100000元，而飞行站之设置须1000000元，故其用于商业飞行之可能性甚大云。

三、结论

吾人在第一部分中，讨论气船与飞机在飞行效率方面、结构效率方面及旅客安适方面之比较;在第二部分讨论气船将来发展之途径，处处皆可以指出气船改进之余地尚多，而尤以大气船为有希望。飞机则在吨位方面似已达一限度，证以今日大飞机之不如前数年建造之多，盖可知吾人在理论上所得之结果为不谬矣。至于以气船作长途飞行，其安全性必不亚于飞机，吾人可以Graf Zeppelin号之成绩(见表12)为证。待LZ-129号造成，因其排空量(见表13)较大，此种气船之优越性必更能表现。最近加入气船事业者又有苏联对此方亦十分努力。故吾人终在不远之将来，见世界航空线上，满布伟大之气船，而此时益见Count Ferdinand Zeppelin之可敬重也。