戰爭學院 興登堡號空難最新研究：3D拆解告訴你，為甚麼安全的設計，卻燒了人類最大的飛艇？？？

星燈寶號是人類有史以來建造過的最大飛行器,堪稱名副其實的空中豪華郵輪,飛越大西洋僅需兩天半。 在20世紀30年代,有不少人都相信,巨型客運飛艇就是全球出行的未來。 然而,在1937年5月6日,星燈寶號在新澤西州着陸時突然起火,還不到一分鐘,這個被寄予厚望的未來便被徹底焚燬。 此後的數十年,事故的確切誘因始終沒有定論,直到最近,這個謎團才終於有了新的突破。 本期內容,我們聯合了加州理工學院的教授康斯坦丁諾斯·賈帕斯共同製作。 他通過專項的實驗研究,爲當前學術界主流的事故誘因理論補充了全新的細節,還確認了星燈寶號所存在的一項關鍵的設計缺陷。 我們從內到外完整重構了星燈寶號的全部結構,今天我們就爲你拆解三個核心問題,它的建造邏輯,運行原理,以及航空史上極具標誌性的那場重大空難到底是如何發生的。 這絕對是你見過的最透徹的星燈寶號解析。 出世之前,星燈寶號早就在全球家喻戶曉,它的名氣不光來自龐大的體型,極快的航速和豪華的配置,還因爲它是納粹德國所建造的,名勝利還帶着一層不光彩的意味。 在二十世紀三十年代中期,跨大西洋出行仍然只能靠遠洋郵輪,這類遠洋郵輪不僅乘坐體驗舒適豪華,整個出行過程也極具儀式感,美中不足的是行程耗時較長,單程通常需要五到七天。 飛機雖然速度快,但當時還擔不起跨洋客運的重任,它們既達不到定期跨洋飛行所要求的續航和可靠性,乘坐體驗也完全談不上舒適和豪華。 當時的民航飛機沒有增壓客艙,只能在低海拔的空域飛行,它們噪音大,顛簸劇烈,乘坐感受非常糟糕。 當時乘飛機橫跨大西洋的情況十分少見,即便有可供搭乘的跨洋航班,中途也需要進行多次加油,這就給星燈寶號這類的巨型硬式飛艇留出了市場空間。 它的跨洋速度比郵輪快,同時還能提供和郵輪不相上下的舒適體驗,它還不到三天就能飛越大西洋,在幾百米的高空之上不僅有散步甲板、餐廳、休息室、私人客艙,甚至還有專門的吸菸室。 星燈寶號由德國齊柏林公司建造,這家企業深耕硬式飛艇領域數十年,同步推進技術研發與客運航線的運營。 到星燈寶號正式投入運營時,齊柏林的安全記錄已達到了無可挑剔的水平,從未發生過重大運營事故。 此前推出的更小的齊柏林伯爵號飛艇已經成功完成了140多次的跨大西洋飛行,讓德國穩居全球硬式飛艇技術的龍頭地位。 作爲接替齊柏林伯爵號的新一代硬式客運飛艇,星燈寶號於1936年3月4日順利完成首飛,它的名稱取自1925至1934年在德國就任總統的保羅·馮·星燈寶。 它是專門設計用來定期跨洋的客運飛艇,其核心運營航線共有兩條,都從德國法蘭克福出發,一條往返於美國新澤西州的萊克赫斯特,另一條則往返於巴西的里約熱內盧。 但星燈寶號的功能從來不止於普通的客運飛行器,後來它還被納粹德國當成了宣傳符號,在各類政治集會和1936年的奧運會上頻繁亮相,被用於不光彩的政治宣傳。 到最後一次飛往萊克赫斯特之前,星燈寶號已經完成了63次飛行,在1937年5月的這次着陸嘗試中,它被大火徹底焚燬,也直接終結了應是客運飛艇的時代。 但要真正搞懂當天到底發生了什麼,你就得先了解星燈寶號的構造。 在那個年代,星燈寶號的性能堪稱匪夷所思,它絕非只是裝了發動機的普通氣球,而是經過專門設計的巨型飛行結構。 按照設計要求,它要能承載數百噸重量,完成跨洋航行,同時能爲乘客提供豪華的乘坐體驗,可支撐這一切的偏偏是一種極度危險的氣體。 更讓人想不到的是,在飛艇的內部,一個原本只是爲了提升安全的微小設計,最終卻給它判了死刑。 星燈寶號全長245米,僅比泰坦尼克號稍短,直徑來到了41.2米,體型遠超同時期的其他所有飛行器。 它最多可搭載60名機組人員,最初設計載客量爲50人,後續升級至72人。 滿載時總重約215噸,大致相當於三架滿載狀態的波音737客機。 本次我們重構的是1936年時,星燈寶號還未升級的初始配置。 星燈寶號屬於硬式飛艇,其標誌性的雪茄外形依靠龐大的內部框架維持,而非僅靠氣囊氣壓支撐。 同時它屬於輕於空氣飛行器,依靠浮力升空,再通過自身的動力實現空中航行。 爲了獲得升力,星燈寶號內部填充氫氣,這種氣體成本低廉便於大規模生產,但極度易燃。 氫氣被儲存於16個內部氣囊中,氣囊由塗有氣密塗層的棉織物製成,總有效升力約爲232噸。 框架外側覆蓋的蒙布是飛艇的外殼,構成了星燈寶號光滑醒目便時度極高的挺身。 蒙布爲單層棉織物,採用蛀麻繩繃緊固定於框架上,表面塗刷多層銀色防護漆,也就是咱們常說的飛機蒙布漆。 這種漆既能保護織物本身,減少氣囊過熱的情況,還能讓飛艇的外觀呈現出光滑的金屬質感。 蒙布覆蓋整個框架,但不直接貼合金屬結構。 框架的橫樑上裝有木簫,剛好在框架和蒙布之間流出了一道微小的空氣縫隙。 理論上這是項安全設計,因爲木簫不導電,要是蒙布上積累了電荷,這道空氣縫隙就能把金屬框架和帶電的蒙布隔離開。 可誰也沒想到,這道不起眼的小縫隙反倒成了災難性的設計缺陷,最終奪走了36條生命。 別看星燈寶號體型龐大,結構堅固,但它其實遠比大多數人以爲的要脆弱得多。 星燈寶號失事的核心原因就是蒙布和金屬框架之間的那道小縫隙,但它只是整個龐大飛艇系統裏的極小一部分。 要搞懂這麼小的設計缺陷,怎麼能毀掉這麼大一艘飛艇,我們得先了解清楚飛艇的其他系統構造。 我們先來看停手部分,這裏有個加固過的系流錐,作用是通過纜繩把飛艇固定到系流塔上。 系流塔是飛艇在機庫外停靠的專用設施,只要把停手卡到塔頂的接口上就能完成停靠。 艇身下方掛着控制吊艙是機組人員操控飛艇的封閉艙室。 艇身兩側裝有大型的觀景窗,爲了降低空氣阻力,乘客甲板全部設在飛艇內部,乘客可以透過這些觀景窗俯瞰下方不斷掠過的風景。 星燈寶號的發動機都裝在艇身外側的四個發動機吊艙裏,左右個兩個。 每臺都是戴姆勒奔馳出品的V16柴油發動機,最大功率820千馬,能讓飛艇的巡航速度達到約120公里每小時。 每臺發動機驅動一副直徑6米的四葉定矩木質螺旋槳,採用推進式佈局裝在發動機吊艙的尾部,負責推動飛艇向前飛行。 發動機吊艙是半封閉結構,裝螺旋槳的尾部是敞開的。 每個吊艙前部都有可調節的隔殼式散熱器擺頁窗,開合之間就能調節流過散熱器的空氣流量。 後部的發動機吊艙裝的比前部更低,這麼設計是爲了讓它的螺旋槳能在均勻的氣流裏工作,不會受到前方發動機尾流的干擾。 每個發動機吊艙全程都配有機師值守,專門負責監控發動機的狀態,執行控制吊艙傳來的指令。 機師前往後部的吊艙時需攀爬梯子,前往前部的吊艙也需要通過狹窄的走道,這對該崗位人員的心理素質要求較高。 飛艇尾部的尾翼負責維持飛行過程中的穩定性。 尾翼上裝有方向舵與升降舵,其中方向舵爲可動的垂直控制面,用於控制飛艇左右轉向,升降舵爲可動的水平控制面,用於控制飛艇升降。 下方尾翼內部設有輔助控制室,若是主控制吊艙的操控系統失靈,可在此處操控飛艇。 爲了方便着陸停靠,星燈寶號裝有不可收放的減震着陸輪,一個在控制吊艙下方,另一個則在下部垂直尾翼的底部。 從外面看,星燈寶號的線條流暢利落的不可思議,可光滑的銀色外殼底下是堅固的金屬骨架。 裏面不光有機組人員的宿舍、乘客客艙、用餐區,甚至還有擺着定製鋼琴的休息室,所有區域都靠內部走廊聯通。 來到星燈寶號的內部,你纔會發現它的規模大到驚人。 它可不是那種你走進去隨便找個座位就行的普通飛行器, 天體下方是一整套龐大的內部結構,幾乎和一棟小型的多層建築差不多。 星燈寶號的框架是用三角形硬鋁橫樑搭起來的,這種硬鋁屬於鋁銅合金,重量特別輕。 這些橫樑先拼成15個主環,也就是大家常說的主框架,作用相當於分隔氣囊的艙壁。 每兩個主環之間還裝有次級環,之後用縱向橫樑沿着飛艇的全長,把所有的環形框架都連在一起,就拼成了堅固的整體骨架。 框架延伸到飛艇的尾部,就構成了十字形的尾翼結構。 艇體內部有兩條貫穿整個艇身的通道,一條是沿艇體底部鋪設的龍骨通道,通往各個機組區域。 另一條是沿艇體中心線鋪設的軸向通道,通往各個氣閥。 氣囊內的氫氣通過一系列閥門排出,閥門設置於軸向通道上方各氣囊之間。 這些閥門一共分兩類,一類是手動閥,機組人員飛行時靠它控制飛艇的升力和平衡。 另一類是自動閥,能自動釋放因爲高度或者溫度變化所產生的多餘氣壓。 全艇共設有七個通風井,自龍骨通道貫通至艇體頂部,通過頂部的外置通風罩將排出的氫氣直接導流至艇外。 其中三個通風井內配備了維修梯,可連通龍骨通道與軸向通道。 星燈寶號的內部一共劃分爲三大區域,分別是控制吊艙、乘客甲板,還有沿龍骨通道分佈的配套服務及機組區域。 龍骨通道只對機組人員開放,是連通三大區域的核心通道。 我們沿着龍骨通道從停手往艇圍走,最先到的核心區域就是系流平臺。 這裏放着大麻纖維着陸繩和鋼製系流纜,兩種繩索都直接固定在金屬框架上。 着陸時會先從艙口拋下着陸繩,地面的工作人員會拉住繩子幫飛艇對準停靠位置,之後機組人員再拋下鋼製系流纜固定到系流塔上,把飛艇拽到指定的位置。 讓停手的系流錐卡進塔頂對應的接口裏。 沿着龍骨通道往前,兩側排布着多個儲罐,分別存放着燃料、壓倉水、淡水和廢水。 系流平臺旁是存放食物與補給的儲藏室,再往前是機組人員的宿舍,配備了上下牀鋪。 然後是郵局,貨運區就在旁邊。 除了搭載乘客,星登寶號還會運載大量的郵件和貨物。 其實,全球第一條定期跨大西洋的航空郵件服務就是它開通的。 再往後走就是通信用的無線電視,裏面裝了梯子能直接下到控制吊艙裏。 控制吊艙共劃分爲三個功能區,前部爲駕駛臺,搭載着星登寶號最核心的飛行操控裝置。 包括控制航向的方向舵輪,控制俯仰的升降舵輪,釋放壓艙水的壓艙控制檯,以及用於操作氫氣閥的氣體控制檯。 除此之外,駕駛臺上還有一臺發動機傳令鍾,專門用來給四個發動機吊艙的值守機師傳達指令。 另外還配了一臺偏流指示氣望遠鏡用來測量飛艇的偏流。 駕駛臺後方爲導航室,機組人員在此,通過工作臺、航圖及導航設備規劃飛行航線。 控制吊艙的後部是觀察室,專門供機組人員休息和開會,裏面還裝了爬梯能直接往上回到無線電視。 回到主聽體內部,龍骨通道剛好穿過B層甲板的中心,從這裏就進入乘客區域了。 星燈寶號的乘客區域分佈在A、B兩層甲板上。 B層有一部分區域,機組人員可以通過龍骨通道直接進出。 左前是普通機組和長官的餐廳,中間是廚房,還裝了一臺傳菜升降機用來連通廚房和上層的甲板。 右前是乘務長的艙室,裏面有一扇通往乘客區域的門,這也是乘客區和機組區之間唯一的連通通道。 B層剩下的區域就全對乘客開放了,飛艇着陸的時候會放下兩個閒梯,方便乘客上下停。 這裏還配了衛生間、淋浴設施、酒吧,還有整艘飛艇最特別的吸菸室。 吸菸室可以說是全艇最奇特的設計之一。 你可能會納悶,星燈寶號裏裝滿了氫氣,這可是世界上最易燃的氣體之一,怎麼還允許乘客吸菸呢? 該行爲是被允許的,僅可在這一專門設計的受控空間內進行。 這間吸菸室的氣壓比外界高,能防止泄漏的氫氣飄進來。 吸菸室合配套的酒吧,通過一道雙門氣閘,跟飛艇的其他區域完全隔開。 乘客登機的時候,得把所有的打火機、火柴都上交,因爲除了這個吸菸室,飛艇其他任何區域都不允許有明火。 吸菸室裏只配了一個公共電子打火機供大家使用。 星燈寶號在防火花的設計上已經考慮得極其周全,可設計師偏偏還是漏了一個關鍵的前提,最終釀成了災難性的後果。 B層甲板的上方是A層甲板,這裏設有餐廳、休息室、寫作室和25間無窗雙人客艙,甚至還有專門的陪餐室。 下層廚房做好的餐食,先通過船菜升降機送到陪餐室,再端去餐廳供乘客享用。 休息室裏還擺着一架專門定製的鋁製鋼琴,之所以用全鋁材質,就是爲了儘可能減輕重量,旅途中偶爾還會安排現場演奏。 A層甲板的兩側是散步區,放着休息座椅,還有飛行過程中可以打開的觀景大窗。 逛完乘客區回到龍谷通道,再往前依次是機組人員宿舍、工程師室、維修間還有電器室。 電器室裏裝了兩臺35千瓦的柴油發電機,可以爲整艘飛艇供電。 和我們之前提到的西安市的設計邏輯一樣,電器室也採用正壓設計,防止氫氣滲入。 這片區域還有額外的儲藏空間,有些儲藏間大到能放下一整輛汽車,另外還有通往前部發動機吊艙的專用通道。 再往停尾方向走,沿路依次是通往後部發動機吊艙的通道,額外的機組宿舍還有更多的貨艙。 儘管星燈堡號是當之無愧的工程奇蹟,可它的使用壽命卻非常短。 在此後幾十年裏,它失事的具體經過始終沒有定論,一直停留在推測階段。 雖然調查人員早就有了一套主流的推論,但完整的事發過程始終沒能得到充分的證實。 現在,藉助最新的實驗研究成果,再加上我們從頭到尾對飛艇結構的詳細重構,我們終於能把這場事故的完整經過還原得比以往任何時候都清楚。 1937年5月6日,星燈堡號延誤了一陣之後,終於飛到了美國新澤西州的萊克赫斯特上空準備着陸。 可當時的天氣狀況很不穩定,着陸場周圍全是暴風雨,航空規定明確禁止在暴風雨天氣着陸,飛艇只能在萊克赫斯特上空盤旋等待。 後來天氣總算略有好轉,但還是飄着小雨,沒完全脫離暴風雨的影響,機組還是決定嘗試着陸。 爲了對準快速變化的風向,飛艇被迫做了一個急轉的S型機動。 目前的主流推測是,這次急轉彎扯斷了一根內部拉鎖,大概率劃破了其中的一個氣囊,導致大量的氫氣泄漏。 就在飛艇進進準備着陸的時候,機組人員很難保持艇身平衡,尾部不斷往下沉,這和氫氣泄漏的特徵完全吻合。 機組兩次排放壓艙水試圖修正平衡,可都沒起到作用,還是按流程繼續推進着陸,隨後拋下了着陸繩。 纔剛過了四分鐘左右,艇尾突然起火,整艘飛艇沒一會兒就被火焰徹底吞沒了。 這些年,人們提出了不少理論來解釋這場災難,說法五花八門。 有說是蓄意破壞的,有說是柴油發動機排氣帶出的火花惹的禍,還有說是斷裂的螺旋槳刺入了艇體,甚至還有人猜測是地面有人朝飛艇開槍。 不過調查人員最終還是敲定了結論,隱然泄漏氫氣的是靜電放電產生的火花。 但有兩個問題一直沒能搞清楚,這道火花到底是怎麼產生的?又爲什麼剛好出現在氫氣泄漏的位置? 爲了搞清楚這兩個懸而未決的問題,加州理工學院化學工程教授康斯坦丁諾斯·賈帕斯專門開展了全新的實驗研究。 他對照歷史記錄還原了星燈寶號蒙布的樣本,做了大量的實驗室測試,不光完善了原有的靜電放電假說,還爲星燈寶號災難的誘因研究補充了新的細節。 他提出的新理論叫做分佈式電容理論,是目前爲止最合理的解釋,它能說清兩個核心問題,火花到底是怎麼產生的?又爲什麼剛好在巨大的飛艇內部撞上氫氣泄漏點? 另外,實驗還揪出了一項關鍵的設計缺陷,這項當初專門加進去提升安全性的設計,反倒可能是引爆災難的導火索。 整個事件的發生過程大概率是這樣的,飛艇在暴風雨天氣裏飛行時,一方面受大氣離子的影響,另一方面,艇體和空氣在不斷摩擦,蒙布上慢慢積累起了靜電荷。 但光靠這些積累的電荷還不足以產生火花,已經附着在蒙布上的電荷會排斥後續靠近的大氣離子,沒法再積累更多的電荷。 所以除非有什麼因素打破了這種排斥效應,不然蒙布上的電荷根本累積不到能引發危險的程度。 而改變這一狀態的轉折點就出現在着陸繩碰到地面的那一刻。 根據賈帕斯教授的實驗數據顯示,哪怕是乾燥的大麻繩本身就有導電性,更何況着陸當天環境潮溼,繩子被打溼後導電能力還會更強。 着陸繩一碰到地面,瞬間就給飛艇的金屬框架接了地,地面的電子順着繩索傳到了飛艇框架上,讓框架帶上了負電,可這時帶正電的外部蒙布還和框架保持着電絕緣的狀態。 就在這一瞬間,那項設計缺陷徹底成了致命隱患,蒙布和框架之間形成了一個巨型電容器。 電容器是很基礎的電子元件,原理和電池差不多,能儲存電荷。 新形成的電容會削弱蒙布對大氣離子的排斥效應,讓蒙布能累積更多來自大氣的電荷,同時框架也能從地面吸引更多的電子來平衡電位。 這麼一來,蒙布和已經接地的框架之間就形成了極高的電勢差,完全滿足了靜電放電的必要條件。 偏偏這時候的降雨又讓情況雪上加霜。 之前跨大西洋飛行的過程中,蒙布上已經沾了不少鹽粒,雨水一和鹽粒混合,蒙布表面的電荷流動性就大幅提升了,更容易順着表面往下方的金屬橫樑移動。 根據賈帕斯教授的計算,只要4分鐘,蒙布和金屬框架之間的電勢差就能高到擊穿兩者間的縫隙,在蒙布和水平金屬橫樑之間蹦出火花。 而這道縫隙恰恰就是那處致命的設計缺陷。 要是當初蒙布和金屬框架之間沒留這道絕緣縫隙,壓根不會形成電容效應,電勢差也不可能升到能產生火花的水平。 再加上蒙布本身就是絕緣的,電荷能在多根橫樑上方累積,最後很可能在飛艇的不同區域同時蹦出多道火花。 其中一道火花剛好出現在4號和5號氣囊之間的氫氣泄漏點附近,便瞬間引燃了泄漏的氫氣,燃起的大火也最終徹底焚燬了星燈堡號。 事發實體上一共在有97人,35人不幸遇難,另外還有一名地面工作人員在事故中喪生,總遇難人數剛好和咱們之前提到的36人對應得上。 星燈堡號的這場悲劇不是單一故障引發的,是一系列偶然條件剛好湊在了最致命的時間點上才最終釀成的結果。 只要其中任何一個環節出點差池,這場災難可能根本就不會發生。 但它的影響遠不止損失了一艘飛艇,更是徹底擊碎了公衆對整個飛艇出行模式的信任。 就在硬式飛艇時代轟然落幕的同時,另一種交通技術已經快速接霸。 當時飛機技術發展突飛猛進,它們飛得越來越快,可靠性越來越高,也越來越能滿足長途客運的需求。 星燈寶號的災難過去才兩年,第一條商業跨大西洋客運航班就正式開通了。 僅僅過了幾個月,二戰就全面爆發,工業生產全部轉向軍需,客運飛艇也就徹底淡出了公衆的視野。