《飞机：技术发展历程》（三）

吴砺

                        《飞机：技术发展历程》（三）

采用这种滑翔方式，1891 年，李林达尔成为能利用人工操纵滑翔机成功进行连续试飞的第一人。之后，在1898 年，法国航空先驱费迪南德·费伯写道：“我认为1891 年李林达尔在空中滑行了15m的那天，就是人类学会飞行的时刻。”P042

毫无疑问，李林达尔是19世纪航空界的一位巨擘，他对人工驾驶、重于空气飞机的贡献在那个世纪除了乔治，凯利外，无人能与其比肩。或许在写到李林达尔时，用语最为恭敬的要属维尔伯，莱特的文章。维尔伯，莱特在1912 年 5月30日因伤寒去世，这篇文章是他临死前写的，在维尔伯去世之后发表。他在1912 年 9月《美国航空俱乐部公报》中写道：

在19世纪所有致力于攻克飞行问题的人中，毫无疑问奥托。李林达尔最为关键，他在各个具体问题上都表现非凡，没人能够像他那样 义无反顾、乐 此不疲，没人比他更全 面、更渴望地理解飞行原理，没人能像他一样令全世界的人相信带弯度翼型具有优势而奔走相告，没人比他在户外进行过更多的飞行试验（飞行试验本身就应该在户外进行）。同时期的科学家无人能与他比肩齐名！P046

莱特兄弟对航空技术最重要、最独创的贡献，是他们在研究早期对于飞机需要横向控制的理解，并且发明了相关的机械装置。虽然莱特兄弟在航空工程和应用空气动力学领域做了很多开创性工作，但他们对于飞机横向控制重要性的理解，并发明了相关的机械装置，或许是他们在技术方面取得的最高成就。P063

莱特兄弟解决横向控制的方法，是维尔伯在一个偶然的机会获得了灵感。一个顾客走进莱特兄弟的自行车铺，购买内胎。当时维尔伯一个人在店里，他从货架上取下装内胎的盒子，在和顾客交谈的过程中，无意中用手指压了一下盒子。他立刻意识到，用某种方式压长形盒子的一角时，盒子的一端往上翘而另一端会往下压。如果盒子是机翼，这样刚好可以在机翼上创造不平衡升力的迎角条件，从而得到横向控制的滚转力矩。技术的发展史中有很多这样的例子，技术的重大突破往往得益于一个偶然的机会。这正是这样一个例子。维尔伯在不断寻找解决横向控制的办法，却无意中在把玩内胎盒子的时候找到了答案。

莱特兄弟发明的翼尖扭转，被称作机翼扭转。这种发明，去掉了陈纳在桁架式双翼飞机上采用的前后对角张线，保留了展向的桁架，飞行员通过拉拽金属丝使机翼尖部沿着弦向扭转。1911 年以前，所有的莱特飞行器都采用了该技术。P064
由于计算值与测量值之间的差异，1901 年 8月，在从基蒂霍克回家的路上，莱特兄弟满脸沮丧。但是他们的失望很快就消失了。回家后不久，在维尔伯给西部工程师学会发去论文之前，他们就做出果敢的决定。问题：他们已经采用了最好的空气动力学数据（至少在某种程度上他们理解这些数据），然而他们滑翔机的性能远低于预期（相比于计算结果）。结论：当时的空气动力学数据存在某些错误。解决办法：重新开始，编制自己的空气动力学数据。这个决定，相当于莱特兄弟从最基础开始自己做所有的事情，这是莱特兄弟1903 年试飞成功的重要原因。P0-7

上述论述，无意间或多或少地影响了兰利，在莱特兄弟之前兰利和赫法克已经观察并测量到压力中心的后移现象，但是这些数据从来没有被出版。因此，莱特兄弟从来就不知道这件事。同时奥维尔对计算压力分布的李林达尔数据表精度有些怀疑。总之，奥维尔和维尔伯是当时最先进、最精确、最有用的应用空气动力学数据的唯一拥有者。这也是莱特兄弟能够被称为真正意义上首位航空工程师的原因所在。P079

从1899 年5月30日维尔伯写信给史密森尼学会到1902年年底，在不到 3 年半的时间里，莱特兄弟取得了巨大进步。在1899 年的信中，维尔伯写道，他最初的目的是“力所能及地帮助那些最终将取得成功的人”。现在，维尔伯和他的弟弟将要成为“最终成功的人”，而且他们也意识到了这一点。到1902年底，莱特兄弟所有的目的和期望就是制作一架实用的飞机。距离最后成功，仅仅需要一台足够动力的推进设备了。P083

为了在飞行器上投入更多时间，1901 年奥维尔雇用了机械师查理·泰勒帮他们分担自行车铺的工作。奥维尔和泰勒从12月份开始设计和制造发动机。查理·泰勒是在正确的时间出现的正确的人。他在发动机设计中扮演了重要角色，几乎承担所有的加工工作。整个设计过程中没有工程图纸，只有手工草图和泰勒的手工制作。首次发动机试验是在1903 年 2月12日进行的。P084

毫无疑问，莱特兄弟在螺旋桨设计领域取得了质的飞跃，这并不是侥幸取得的成绩。他们的类似“叶素螺旋桨理论”与当时任何螺旋桨设计理论相比都有巨大优势。这个理论的基础是莱特兄弟对螺旋桨气动本质特征的理解，这是对飞机技术一个重要的贡献。他们的螺旋桨理论显示出应用空气动力学前所未有的成熟。他们在设计真正的螺旋桨时采用这个理论是成功的。莱特兄弟提出的螺旋桨理论在早期航空史上的重要性，以及高效的螺旋桨对1903 年莱特“飞行者”成功的重要贡献，并非一直被公众所认可。然而，笔者认为这项工作意义非凡，仅靠螺旋桨空气动力学的贡献，莱特兄弟就应获得1903 年的科利尔( Collier Trophy)奖。P086

经过简单维修，并在天气允许的情况下，莱特“飞行者”于12月17日准备再次试飞。这次轮到奥维尔驾驶飞机了。滑跑轨道再一次被铺设在水平地面。当飞机滑跑至轨道尽头时，照相机给飞机拍了一张相片。发动机处于全马力状态，绳子被放开，飞机开始向前移动。剩下的场景就是历史了，就像本书在开始章节中所描述的那样。

如果没有亲身经历当时激动人心的时刻，就无法体会或者记录这个划时代的历史事件。维尔伯当时36岁，奥维尔32岁。他们俩人已经完成了前人没有做完的事情。凭借不懈的努力、详细研究以及出色的工程技艺，莱特兄弟完成了世界上重于空气的飞行器的首次载人飞行，这次飞行符合航空史学家规定的所有标准。12月17日奥维尔首次飞行之后，他们在那天早晨又做了三次飞行，最后一次飞行距离为852ft，在空中停留了59s。飞行的世界以及成功的航空工程世界就这样一起诞生了！P089

曲在本书后面的章节中，我们将突出强调莱特兄弟之后飞机技术快速发展的本质特征。我们能够确定主要的三个增长期：①带撑杆和张线的双翼飞机；②螺旋桨单翼飞机的成熟；③喷气飞机。这三个时期由于飞机布局上的巨大变化而界限明显，这些变化反映出飞机空气动力学的巨大进步。P090

直到 1914 年第一次世界大战开始之前，一直没有形成明确的飞机布局形式，而飞行本身还是被看作一件新鲜事物（如果有的话），就像马戏团中的走钢丝表演一样。第一次世界大战中飞机在战术和战略上的使用彻底改变了人们的观点。空战的需要，以及敌对势力之间持续争夺制 空权，导致飞机从1914牟的新鲜事物发展成了1918 年11月一战结束时为满足特殊用途专门设计的一种高度实用和多功能的运载工具。

劳伦斯K．洛夫廷

美国国家航空航天局航空工程师，1985 年P094

下面对从概念设计到首飞的时间进行一下有趣的对比。在第一次世界大战期间，一些飞机的设计是通过粉笔在地面上进行标记，两周后就能完成飞机的生产。15 年后，过程相对来说仍然很快，DC -1大概是11个月。与之形成鲜明对比的是今天现代化的军用和民用飞机，从概念设计到首飞则需要花费将近10 年的时间。P149

图6 -9清晰地展示了螺旋桨飞机成熟时期飞机设计变革的成果。在这里我们可以看到一系列全金属单翼机（极少数除外）拥有封闭客舱、可收放起落架、流线型机身。现在返回到图5 -3和图5 -43，回顾一下早期的飞机是什么样的。很显然，20世纪30 年代是飞机发生重大变化的时代，  一些史学家称这段时期为航空的“黄金时期”，事实上，这也是整个美国国家航空航天博物馆陈列室的标题。毫无疑问，作者也认为，这是航空工业两个黄金发展期中的第一个（我们将在下一章讨论第二个黄金发展期）。设想一个年轻的航空工程师，处在一个航空技术爆炸式发展的时代，所有这些技术为设计更高更快的飞机铺平了道路——天空事实上就是这些航空工程师的限制。试想一下一开始就能参与一架新飞机的设计研制，而这架飞机看上去即便在地 面速度都能达到400mile/h，这是一件多么令人激动的事。除此之外，还有些令人兴奋的新发现，对于航空科学技术的研究已开始使空气动力学、推进技术、机械结构以及材料逐渐剥去神秘面纱。在飞行刚刚开始的30 年里，飞机设计主要依靠的是纯粹的经验知识和过去的试验。而现在，通过一些官方实验室的研究计划，例如美国的NACA、英国的皇家航空学会以及美国和欧洲一些精挑细选的大学等，人们最终开始理解为什么飞机能够飞起来，以及如何适应大自然的法则，从而能够改善飞机的飞行。航空史学家理查德。史密斯曾说过一句名言：“飞机为科学所做的贡献要比科学为飞机所做的贡献大得多。”P157

20世纪30 年代的设计变革与空气动力学知识的爆炸式增长、空气动力学知识的运用并行发展。这一时期空气动力学的进步是多方面的，下面 4个故事是最为关键的。我们将分别进行讨论。P157

在20世纪30 年代的时候，流线型并不是一种新概念，自然界中，鱼类和鸟类的外形经过亿万年的进化后也变成流线型。经过长久的观察后，达芬奇和乔治，凯利直觉上认为如果物体是流线型的，那么其在流体中运动时经受的阻力也就较小。在飞行刚刚开始的时候（如图5 -3中的德培杜辛和图5 -37中的“信天翁”D- Va），对于流线型外形的设计更多的是基于直觉，而不是依靠可靠的数据或者理性的理解。但是在螺旋桨飞机逐渐成熟的时代，真正流线型的时代已经来临。此外，航空工程师也开始理解流线型背后的物理机理，因此对这一概念也就更加为大家熟悉。P159

当琼斯完成他的陈述后，一位名叫布拉曼森的听众抑制不住内心的激动，公开宣称琼斯的发现完全可以和热力学领域中卡诺循环的发现相媲美。琼斯对这一反应要谦虚的多，并指出他的发现并不能被认为和热机中的卡诺原理在同一个水平上，但是他们之间也很相似，那就是提供了一种理想的工作机制。同时他也指出，“卡诺循环是一种精确的理论，而我的论文只是一种自然经验近似”。琼斯之所以这样说主要是因为在缺乏精确方程的前提下，他使用了平板湍流摩擦阻力的近似公式。无论如何，到 20世纪20 年代后期的时候，流线型设计终于迎来了属于自己的时代。它意味着阻力降低，而在螺旋桨飞机成熟的时代对于空气动力学的应用最关注的就是阻力的降低。P1·62

在1930 年的时候，“流线型”开始进入应用空气动力学。目标是设计具有最低形状阻力的空气动力学外形，即接近梅尔维尔·琼斯的理想飞机。尽管当时空气动力学理论已有很大进步，但是也仅仅只能理解气流分离的机制和由此导致的阻力，并不能提供精确计算这种现象的方法，尤其是湍流。为了满足这种要求，空气动力学家不得不求助于风洞。P163

直到 21世纪的今天，空气动力学家们仍然在为“将剩余表面摩擦阻力减小到 当前值的一小部分而努力奋斗。”P165

西奥多森受到了所有与他一起工作的人们的喜爱与尊敬。在后来的时候，也就是1992 年，曾与西奥多森在30 年代到 40 年代一起工作过的天才数学家I．爱德华·加里克评论过西奥多森的风格：

当一个问题进入他的视线以后，他会在最短的时间内集中精力去解决问题，而且几乎把自己封闭起来，过后呢，看上去又像一个很散漫的家伙。我们中很多人经常会与他在兰利的果园和树林里散步，他喜欢谈论人性的弱点。作为一个部门的领导，他有着别人很少有的崇高品德，他会尽量保护他的职员不受常规的流水式行政命令所干扰，而使他们最大限度地发挥自己的天赋和才 智。当一个人已经完成或者即将完成一项工作时，他马上就会成为，一个严厉的却让人受益匪浅的评论家。P175

西奥多森的努力在纠正翼型设计时试验方法和理论分析方法之间存在的不平衡上迈出了一大步。他的工作主要是基于复变量数学理论，在他之前已经有人利用这一方法来处理翼型设计的相关问题。然而这些早期的分析往往集中在特殊的形状或者只针对小迎角下的薄翼型。西奥多森的新方法克服了这些限制，这是第一种可以对任何形状的翼型在任何迎角下都能进行分析的理论。这被认为是螺旋桨飞机成熟时代翼型理论上最大的突破。P179

在20世纪初的30 年里，翼型理论研究的进展直接改善了翼型的设计。但是它在空气动力学理论的整体进展中仅仅占据了一小部分。翼型理论的进步并没有跟上飞机设计发展的步伐：飞机机翼和整机的设计、飞机的成功飞行都离不开正确的科学理解。确实，这场设计革命带来了经过经验数据积累、思维创新和痛苦的经历而形成的成熟的螺旋桨飞机时代。另一方面，飞机能够飞行的事实激励着学者和研究人员弄清楚其科学本质一什么样的物理定律支配着这些飞机的性能以及怎样将数学方法作为第一原理来计算性能？结果，与设计变革相同步，空气动力学理论也经历了实质性的进步。

早在撑杆和张线双翼机的时代，空气动力学的理论基础就已经被俄国／苏联著名的空气动力学专家尼古拉。茹科夫斯基的工作所奠定。p185

吴砺

2019.12.9