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[散文] 《飞机:技术发展历程》(四)

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发表于 2019-12-10 14:27:04 | 显示全部楼层 |阅读模式




                          《飞机:技术发展历程》(四)




库塔—茹科夫斯基定理已经成为升力环量理论的定量化依据。这是第一次对升力产生的机理进行了科学和数学上的理解。升力环量理论的发展是20世纪空气动力学发展的最主要的元素,而且它是真正地属于科学领域的理论。库塔和茹科夫斯基的客观理论都是学术界的一部分,都被认为是升力的本质并且获得了对升力进行定量预测的能力。他们的工作并不是由设计一个机翼或翼型的愿望推动的,至少起初如此。事实上,在1906 年机翼和翼型已经被设计出来,并且应用在一些先进的飞行器上。但是当时的这些已经完成了的设计并没有得到科学理论的帮助。升力环量理论也是在飞行事实之后创建的。

20 年后,升力环量理论作为一种实用的工程工具去研究升力环量和翼型上的力矩。德国空气动力学专家马克斯·芒克和他在哥廷根大学的同事路德维格。普朗特,在20世纪20 年代初期发展了一个适用于小迎角下简单薄翼型的理论——从这一理论我们可以轻松地得到升力特性。芒克在第一次世界大战结束不久就移民去了美国,并在美国为NACA工作。在20世纪20 年代为NACA工作的那一段时间里,芒克设计了一系列的翼型,并指定以M 来命名。例如,M – 006M- 012翼型被用于在那段时期设计的39种不同的飞机。(相比之下,无处不在的克拉克 Y翼型,在设计中并没有运用任何理论但是在同样的时期却用在了176种不同的飞机上。这个数字是美国国家航空航天博物馆的霍华德,沃尔科经过广泛的查证而得出的。)无论如何,芒克的薄翼型理论为前面提到的西奥多森在1931 年发现的一种广义升力环量理论打下了坚实的基础,从而可以计算任意形状任意迎角的翼型产生的升力和力矩。正因为如此,在螺旋桨飞机成熟时代的一开始,升力环量理论最终成为一个用于指导新翼型设计的工具。P186

与升力环量理论同时存在且非常重要的突破是对空气阻力的理解和预测。在19世纪,人们开始考虑如何预测相对气流在一定倾斜角的物体上所产生的升力,这以乔治·凯利的在固定机翼上产生持续的力的概念为先导。相比之下,对于阻力的考虑可以追溯到古希腊科学。对于高速运行的弹丸在空气中的阻力已经被关注了数千年。因此,具有讽刺意味的是,关于升力和阻力预测理论被独立地研究了很长时间,但几乎是在同一时间取得了突破。

阻力研究的突破是源于边界层的概念。在1904 年,一位年轻的德国工程师,刚刚成为哥廷根大学应用力学教授的普朗特,在德国海德堡举行的第三届国际数学会议上发表的论文令空气动力学的研究发生了革命性的变化。虽然该论文只有8 页,但是它却被认为是流体力学历史上最重要的论文。在论文中,普朗特描述了以下的概念。他从理论上认为是摩擦阻力的影响使得物面临界区域的流体很快地黏在物面上,而且摩擦的影响只限于物面附近一层很薄的区域内,他称之为边界层。在边界层外面,流体基本上是不受摩擦阻力影响的。它正是人们在过去两个世纪里一直研究的无黏势流。我们在概念上将物体周围的流场划分成两个区域,贴近物体表面的黏性边界层和边界层外的无黏势流(见图6 – 31),这使得流体的理论分析变得容易处理。普朗特解释了怎样通过流体内部边界层的特性从根本上理解并计算出表面摩擦力。边界层内的流动可以用一组特殊的边界层方程计算出来。他同时展示了如何利用边界层的概念来解释物体表面的流动分离——这是全面理解阻力的至关重要的概念。P187

总之,笔者认为普朗特的边界层概念在科学上的贡献是可以获得诺贝尔奖的。著名的流体力学专家悉尼,戈尔茨坦在1969 年评论道:“这篇论文将会是这个世纪甚至很多世纪里最专业、最杰出的论文。”这也许是对普朗特在1904 年发表的边界层理论论文的最高赞誉。P188

液冷还是气冷?这是在第一次世界大战以后飞机发动机设计师所面临的问题。答案是两种都有。在螺旋桨飞机发展成熟的时代,我们看到了很多军用飞机采用了功率强劲的液冷式发动机——特别是对于那些追求流线型的战斗机。在第二次世界大战后期也成功地发展出了气冷星形发动机。到目前为止,对于大多数飞机来说气冷星形发动机还占有统治性的地位。在螺旋桨飞机成熟的时代,发动机与变距螺旋桨发展相结合成为了飞机技术的一个重要组成部分。P189

爱德华 P.沃纳在《飞机设计:空气动力学》一书中对1927 年的飞机设计技术水平进行了完美的总结。沃纳那时刚刚被任命为海军负责航空方面的助理秘书,曾经是麻省理工学院的航空工程专业的教授,他对过去总结道:

飞机设计的先驱们在荒野中穿行,每一步都要依靠他们自己的才智。没有人为他们指路,他们必须自己为自己照亮前途。将研究融入到航空工程中是如此艰难,甚至还没有开始。它的前进常由灵感、直觉或者经验提供,或者压根什么指导都没有。

沃纳将1927 年的情形与过去进行了对比:

1927 年,学生从事航空科学研究在一定程度上受制于一些反面的障碍。他们被试验数据所淹没,这些不断增多的数据吓住了他们。部分模糊点已经被解释,政府、机构和私人研究的成果将这个领域的研究方向照亮。然而课题的多个方面均匀开展可能很容易让人困惑,未来准确的研究课题依旧不明确。

他继续说明飞机设计过程中需要的条件:

经验丰富的飞机设计师能够与实验室的结果保持同步,吸收已有的最新信息,使新信息和他已经形成的概念一起融入到合适的地方。在过去的20 年中,他能够逐渐地消化大量的书籍以及相关的表达。一个初学者突然面临全部的材料会感到困惑。我们需要系统性、相关性和协调性,将早先的技术和现有的知识尽可能地以和谐的方式呈现出来。

20世纪30 年代,飞机设计的过程变得就像是浸泡在空气动力学、推进、结构和飞行控制 等新技LL w t2qi\/v 1-Jh  qw,暖Freu碰程变得就像是浸泡在空气动力掌、准迓、绍构和飞行控制等耕孜

航空咨询学会的责任是监督和指导飞机实际问题的科学研究,以实际解决方案为目的,确定必须通过试验解决的问题,并讨论它们的解决方案及在实际问题中的应用。P203

在本章开始时介绍的道格拉斯DC -3型飞机的设计是在螺旋桨飞机成熟时期一个典型的飞机设计例子。道格拉斯的设计师自己没有产生任何先进技术的突破;然而,DC -3在协同设计中第一次包含了当时的所有新技术。道格拉斯的设计者们对于这些新技术都了如指掌,并且能够对这些新技术进行大胆的应用。P204

在我们结束这个问题之前,有必要进行一下最后的评论。尽管笔者认为竞技飞机对于飞机技术的发展并没有开创性的贡献,但是它们对于飞机设计师逐渐成熟并成为专家有着不可量化的贡献。一个例子就是英国著名的萨普马林“喷火”战斗机的设计师雷金纳德,米奇尔。早年在萨普马林工作的时候,米奇尔设计了&6B竞技飞机,该型飞机在1931 年获得了施耐德杯(见图6 – 44)。将图6 – 44中的S6B竞技飞机与图6-9所示的“喷火”战斗机进行比较,我们可以发现这是两种根本不同的飞机。通过对比图6 – 50S6B的布局细节及三面图和图6- 34中“喷火”战斗机的三面图可以更清楚地发现这一点。>但是两种飞机却是同一个人所设计。米奇尔在1935 年开始设计“喷火”战斗机的时候,比他在设计S6B飞机的时候更加成熟也更加专业。这种专业上的成熟部分上来自于米奇尔设计竞技飞机的经验。笔者深信飞机设计师的这种思想成熟过程是由航空竞赛以某种无法量化的、甚至潜意识的方式来实现的。P214

第二次世界大战使得航空工程都集中在莱特于1936 年就讨论过的逐步改 良方案上。在美国,新飞机的设计已停止,在战争期间强调的是现有设计的大量生产。事实上在战争中服役的每一架美国飞机都是在1941 127日之前设计的。NACA的试验设施被用来对现有的飞机型号进行改进,NACA的先进、超前研究在战争期间被搁置多年。始于201世纪30 年代初期的设计变革的航空工程黄金时代已经走完了它的过程。

但是一个新的黄金时代正在酝酿准备登上历史舞台,没有人会想到这将是航空工程的第二个黄金时代。仅少数人知道,在20世纪30 年代后期,德国和英国都已经独立地发明了喷气式发动机。喷气式发动机带来了莱特兄弟开启的飞机发展的终结,并开启了一个新的时代——喷气式飞机的时代。喷气发动机的发明者对航空带来的变革完全可以和1903 1217日莱特兄弟对于航空带来的变革相提并论。喷气式飞机是下一章的内容,因为我们仍然处在这一时代,所以它也是本书的最后一章。P214

随着X-1的声爆在加利福尼亚州沙漠上空传播,这次飞行成为继44 年前莱兄弟在斩魔山进行的首次飞行之后飞机技术史上最伟大的里程碑。它证明了声障并非不可逾越的障碍。声速和超声速飞行的崭新一页已经翻开,随之而来的是航空工程的第二个黄金时期。本章介绍的这个航空工程的黄金时期,不妨称之为喷气推进飞机的时代。这个时代从20世纪30 年代就开始萌芽,但真正的喷气动力高速飞机出现于1945 年前后并一直延续至今。P220

恐怕所有曾经把充气的气球松开让它在空中飞行的人都是喷气推进现象的见证者,喷气推进的概念并不新奇;人们几个世纪之前就知道(但未必理解)通过某种装置向一个方向喷射液体或气体可以获得反方向的推力。NACA早在1923 年就聘请美国国家标准局仔细论证过将这一原理用于飞机推进的可行性。埃德加,白金汉在NACA出版的题为《航空喷气推进》的159号技术报告中指出,飞机喷气推进的实践应用已被认真研究,结果是悲观的。白金汉断言喷气发动机的燃料消耗将是传统螺旋桨往复式发动机的4倍,而且其重量更大,也更复杂。这些结论对于报告中讨论的飞行速度不超过250mile/h的飞机是正确的,但对于接近或超过声速的高速飞机却不成立。然而,这份报告已经足够让NACA将飞机喷气推进技术的研究搁置。对燃气涡轮发动机的另一个消极评价来自1938 年由美国国家科学院组建的专家委员会。基于这些结论,NACA和整个美国航空学会在二战之前对喷气推进失去信心也就不足为奇了。

然而,英国皇家空军的一位年轻军官给出了相反的结论。P221

如图7 -4所示,在喷气飞机时代,飞机的飞行速度呈指数增长,这种进步得益于这一时期飞机技术的突飞猛进。如果将这段历史介绍得像本书 之前章节那样详细,那么这一章将会成为一本独立的书。由于没必要如此详细,本章采用了类似对数刻度的描述方式——高位截断。这就是说,我们只讨论自1950 年起飞机技术的一系列历史性跨越,这种历史性的界定纯粹出于笔者的见解。现在,我们仍然处在这个喷气飞机的时代,这个时代的历史仍在不断续写,在这种情况下,由笔者以个人见解选取历史性的跨越并没有很大问题。从某些意义上讲,这一点都不像是关于现代艺术的讨论,因为现代艺术的历史价值至今仍不明朗。在本章中,我们只讨论那些反映时代特征的技术进展,这些进展毫无疑问具有持久的意义。同时,  由于篇幅所限,我们也必须忽略现代飞机技术的许多重要方面,有兴趣的读者可以阅读其他文献获得相关知识。P225

本章的后续部分会再次讨论这种布局设计,届时我们会把波音707飞机的设计作为喷气飞机时代设计艺术的范例进行详细研究。在这一节我们只是将波音707作为引领喷气飞机时代的新一代飞机的典型代表介绍给大家。你需要做的只是对比图5 -5的斯帕德Ⅻ、图6-7DC -3和图7-5的波音707,认识到飞机技术在一个相对较短的时期内发生了多大的变化,同时记住波音707是飞机技术史上第二次变革的范例,孕育了喷气时代航空工程的第二个黄金时期。P228

喷气推进飞机的时代也是高速飞行的时代。现役的大部分战斗机都能够超声速飞行,几乎所有民航机的巡航速度也都非常接近声速。然而飞机诞生的前 45 年,声速一直被看作高速飞行不可逾越的屏障。20世纪30 年代和40 年代,甚至有人认为飞机不可能超声速飞行,突破声障被描述成不可能实现的“神话”。因此,当人们尝试设计能突破声障的飞机时,空气动力学专家就需要面对一个挑战——了解飞机接近和超过声速飞行时的物理学和数学特性。本节内容主要介绍这一过程中激动人心的重大事件。P233

1948 1217日,哈利s.杜鲁门总统以“自莱特兄弟首架飞机以来最伟大的航空成就”为x -1 项目的三位参与者颁发了1947 年度的克里埃奖。这个奖项是官方组织给予X-1验证机的最高荣誉。约翰,斯塔克是三位获奖者之一,他是作为科学家获奖的,另一个获奖者是劳伦斯D.贝尔,飞机的制造商,还有以飞行员身份获奖的查尔斯。耶格尔上尉。斯塔克的颁奖词是“授予研究确定影响超声速飞行物理规律的先驱,以及跨声速验证飞机构想的提出者”,实际上,NACA的整个研究团队都为这个奖项付出了艰苦的努力。P245

为了实现跨声速飞行,飞机的布局需要进行两大调整——面积律和超临界翼型,这都是兰利航空实验室跨声速风洞的专家——理查德·惠特克波的研究成果。从技术层面看,面积律和超临界翼型都致力于减小跨声速区的飞行阻力。然而,它们实现减阻的途径却不尽相同。图7 -19给出了跨声速物体阻力系数随Ma变化的曲线。没有使用面积律和超临界翼型的机体曲线由实线表示。P246

布泽曼1935 年在伏特会议上发表的文章是基于一个简单的想法——机翼的空气动力学特征由垂直于前缘的流动速度分量决定。图7 – 24 展示了布泽曼描述的速度垂直分量。后掠角用释表示,对于同一流速,随着机翼的后掠角增加,速度的垂直分量就会减小。速度的垂直分量直接影响着机翼的性能,因此,后掠翼上出现压缩性效应的马赫数可以更大。这对于跨声速飞行的后掠翼飞机来说就是增加临界马赫数,由此,阻力发散马赫数也会增加。对于跨声速飞行来说,这就意味着波阻的出现会延迟,量值也会更小。

布泽曼1935 年在伏特会议上提出的后掠翼概念对于德国之外的大多数人都是一个跨时代的理念。冯。卡门和其他与会者忽视这个概念也就不足为奇了,他们甚至将它忘得一千二净。会议当天,布泽曼与美国国家标准局的冯,卡门、休·德赖登以及会议的组织者克罗克将军共进晚餐。席间,将军在菜单背面画了一幅后掠翼飞机的草图,这架飞机还有后掠的尾翼和螺旋桨,将军将它戏称为“布泽曼的未来飞行器”。P250

如果没有NACA 兰利实验室的罗伯特 T,琼斯独立发现后掠翼的优势,那么这种概念并不会带来飞机设计的变革。琼斯像19世纪的空气动力学家凯利、韦纳姆和菲利普斯一样特立独行。P251

布泽曼和琼斯共同享有高速飞行后掠机翼理论奠基人的称号。他们提出后掠翼概念的时间相差10 年,而且分别由德军和美军保密,各自独立发展。后掠翼概念的巨大影响在二战结束后迅速体现出来,而且是在大洋两岸同时披露了类似信息,分别验证了有效性。

当今所有的后掠翼飞机都是这笔空气动力学财富的继承人,高速飞机后掠翼布局形式同喷气发动机一起缔造了飞机的技术变革,它们是喷气推进飞机时代最重要的两个标志。P254




吴砺

2019.12.9







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吴砺,桐城人,生于1963年,1979年就读中国科技大学物理系。大学毕业后在中国科学院从事科研工作,1997年曾在美国加州理工学院任访问学者,其后在硅谷工作。回国后一直在公司从事研发工作,已申请了五百多项国内外专利,并于2004年由海峡文艺出版社出版过第一本散文集《西海岸之》。2011年由中国文联出版社出版散文集《瞬间》。
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