《飞机：技术发展历程》（五）

吴砺

                        《飞机：技术发展历程》（五）

让我们来想象一艘宇宙飞船，比如，地球轨道上运行的航天飞机，它距地面超过200mile，这个高度具有很大势能，同时，它的速度是26000ft/s，具有很大的动能。航天飞机返回地面会经过地球的大气层，在地球表面，动能和势能均为o。问题是：这些能量都到哪里去了？答案是：能量只有两个去向——大气和航天飞机本身。如果为了保护航天飞机的表面防止高超声速再人过程中的烧蚀，那么很显然大部分能量应该进人大气。如何保证这个过程按我们的设想进行呢？为了回答这个问题，就需要考虑图7 -29所示的两种机身形状。左边是细长机身和尖锐机头，右边是钝头体。在高超声—。／／，+i，肼啊什JDFhgO形状。左边是细长机身私尖锐机哭，白辸是钝犬rrl伞。仕问题尸的空气温度一般是5000下与此相反，钝头体产生的脱体激波更强，它与机身表面隔开一个距离，称为激波分离距离。在飞行速度为26000ft/s时，这道强激波之后的空气温度大概是14000下。显然，这个温度意味着飞行器的原始能量相当程度上传递给了大气而不是机体。但对于尖头体机身而言，情况恰恰相反。这个故事意在表明，为了减少高超声速飞行器的气动加热，应当使用钝头体机身和圆形前缘机翼，而不是尖头体机身和尖锐前缘机翼。

出提出高超声速钝头体概念是革命性的创新。P257

简而言之，哈维·艾伦具有与生俱来的才能。这种才能促使他提出了钝头体概念，这个概念让20世纪50 年代开始进行高超声速飞行成为可能。

哈维，艾伦开始思考钝头体概念的准确时间已经无从考证，但他产生这种想法的背景很明确。1951 年，洲际弹道导弹(ICBM)开始成为重要的军事项目，NACA启动了支持这个项目的高超声速研究。当时，洲际弹道导弹的设计师面对的一个主要问题就是限制载荷，匹配火箭发动机的推力。这个问题很大程度上属于气动加热领域，因为防热盾每增加llb重量，导弹的有效载荷就会减少11b。有效载荷对于弹道导弹非常重要，因此，减少防热盾的重量就成为了主要设计目标。需求是创新的源泉。阿尔弗雷德。艾格斯是哈维，艾伦的同事，也是与他一起提出钝头体概念的研究人员。他回忆有一次与艾伦讨论弹道导弹再人体设计问题时，艾伦随口说道，“你知道，它们的外形应该像加农炮弹丸一样”，钝头体概念就此诞生。本书作者最近采访了艾格斯，他确认这个概念的提出并不是偶然，而是来自艾伦“认识事物本质的独特能力”。P259

由弗兰茨领导开发的Jum0 004，或许是早期喷气推进飞机历史上非常独特的成就，影响了后来许多型号的设计，这是因为

1．强调轴流涡轮机制和直流燃烧室。

2．突破了镀镍金属叶片在气冷轴流叶片上的应用。

3．制造成本仅为同等推力活塞发动机的1/5。

4．从最初设计到批量生产只用了不到 4 年的时间。

5。体现了可控的喷管面积变化，004E型发动机具有加力燃烧功能。

实际上，现在使用的所有喷气发动机都是轴流发动机，Jum0 004是它们共同的鼻祖。Jum0 004产生推力的机制与现代轴流喷气发动机相同，它的结构也拥有了现代轴流发动机的所有主要部件。当今三种主要的空气涡轮发动机——涡轮喷气发动机、涡轮螺桨发动机和涡轮风扇发动机如图7 – 32所示。这些发动机的核心都是压气机，燃烧室，涡轮，图7 – 32中表示为“气体发生器”。图7- 30中的Jum0 004 具有相同形式的气体发生器。弗兰克，惠特尔和汉斯·冯·奥海因是喷气发动机的共同发明者，但实际上弗兰茨和容克斯的工程师团队才真正开启了实用喷气推进飞机的时代。P262

JT3D于1959 年7月完成首次飞行试验，比通用电气公司的CJ8051 – 23早了7个月。JT3D能够安装在波音707和道格拉斯DC -8飞机上，航空公司也很快接受并采用了这种发动机。虽然通用的CJ805 – 23也适用于这两种飞机，但普惠公司占得先机。普惠公司最终售出8550台JT3D，通用电气公司只能等待新机型康瓦尔990继续竞争，但这种飞机最终只销售了37架。这样的结果非常具有讽刺意味，通用电气公司采用高技术和革命性的设计方法率先研制出涡轮风扇发动机，普惠公司却在消息曝光之后才开始研究，利用现成的硬件将涡轮风扇发动机迅速投人市场，博得了使用波音707和道格拉斯DC -8的航空公司的青睐。1990 年，通用电气航空防务公司总裁杰克。帕克回忆这一历史事件时说：“我们感化了异教徒，而我们的竞争对手卖出了圣经。”

现在，世界三大航空发动机供应商——普惠、通用电气和罗。罗都拥有涡轮风扇发动机生产线。有些涡轮风扇发动机能够产生接近1000001bf的推力，而发动机的涵道比，也就是风扇通过的流量与核心机通过的流量之比，已经从通用电气CJ805 – 23的1。56增加到了通用电气CF6（见图7-35）的5。9。尽管涡轮喷气发动机仍有生产，但主要是用于超声速飞机，喷气发动机更多情况下指的是涡轮风扇发动机。P265

喷气飞机的出现带来了航空史上的第二次变革，这次变革从20世纪40，1年代开始一直持续至今。航空史上的第一次变革从20世纪30 年代初开始持续到二战结束，它以成熟螺旋桨飞机占据军民用领域为标志。与第一次变革相比，第二次变革使民用航空运输业成为当代社会的一部分，高性能喷气战斗机和轰炸机也占据了重要的军事地位。20世纪30 年代第一次设计变革展现的技术进步带来了航空工程的第一个黄金时代。类似地，科学知识和技术的迅速发展使超声速飞行成为现实，也创造‘了20世纪50 年代持续至今的航空工程的第二个黄金时代。

第二次变革当中，飞机的设计方法发生了很大变化，主要有以下三点。

(1)设计过程中需要使用尚未完全了解的技术来满足性能要求。这与带撑杆和张线的双翼机时代相对保守的设计理念不尽相同。双翼机的新机型通常只有很小的改动，并不明显。在那时，只要能设计一架产生足够升力以维持飞行的飞机就算是成功，新机型只要比之前的成熟机型有小小的进步就足够了。即使是在成熟的螺旋桨飞机时代，新机型多数时候也只是对已有机型的改进，一项新技术必须通过理论和试验验证之后才会在新机型上使用。

(2)风洞试验在飞机设计的各个阶段都提供重要的指导作用。在双翼机时代，设计师们并不怎么使用风洞数据，他们对风洞数据的准确性没有信心。当时的飞机设计主要依靠直觉，新机型需要不断地试飞和改进。在成熟的螺旋桨飞机时代，风洞设计水平和设备性能的提高让设计师能在一定程度上依据风洞试验数据确定初步设计方案。

(3)高速数字计算机提供从设计到生产的各种帮助，使设计师们能够在初步设计的开始阶段方便地修改设计布局。近20 年来，计算机的应用使飞机设计方法完全改变。波音777是第一架“无纸化”设计飞机——它的设计和生产都通过计算机完成，此前的设计师不可能拥有这样的能力。P267

XB -47的设计历程堪称跨越性地开启喷气推进时代的第二次设计变革最初的探索。首先，设计方案是全新的，没有任何经验可供参考。后掠机翼和翼吊发动机都是全新的技术特征，是波音工程师为大幅度提高性能所做的尝试。这种总体布局形式时至今日仍被喷气客机广泛采用。其次，方案设计阶段就大量使用风洞试验数据确保了最终的成功，这是喷气推进时代独有的设计趋势。对于波音公司而言。1944 年投入使用的Ma o． 975的风洞是在恰当的时间出现的恰当的设备。1941 年建设这个风洞的决策是一种冒险行为，二战后这次冒险的收 蕭才开始显现。

B -47 项目开创的设计技术催生了第一架成功的喷气客机——波音707飞机。图7-7对比了两种飞机的三面图。B -47的设计是革命性的，而波音707飞机的设计是在此基础上的又一次飞跃，这一点在图7 -7中非常明显。波音707飞机最显著的特征是35。的后掠角和翼吊发动机，这和B-47完全相同。最大的设计更改是采用下单翼布局，这使机舱拥有更大的空间载运旅客和货物。另一个改变是采用前三点式起落架，这是因为航空公司的飞行员更适应这种形式，他们喜欢以抬起机头的动作起飞，以压低机头的动作降落。P269

另一个问题是飞行控制。后掠翼显著的气动特征就是流向翼尖的展向流动。因此，翼尖区会率先出现流动分离，导致翼尖附近的副翼失效。这个问题在B -47和B-52上都出现过，但并没有找到适合民航机的解决方案。原型机波音707的控制面后缘襟翼、副翼和扰流板布置如图7 – 41所示，波音采用了创新的横向控制方式。内侧襟翼和外侧襟翼之间夹着内侧副翼，它位于发动机喷流的后方。此外，还有内外两组扰流板布置在内侧和外侧襟翼之前。扰流板是安装在机翼上表面、能向上开启的平板，通过“扰动”气流减小升力，增加阻力。机翼上表面的扰流板和发动机后方的小副翼提供了高速飞行所需的横向控制力矩，由于效率原因，除了低速襟翼放下的情况之外，外侧副翼都被锁定在中立位置。波音707飞机的飞行表明这种横向控制方式非常成功。P272

就像本章开始时提到的，喷气推进飞机的历史本身就能写成一本书。技术不断地发展和进步，但本书的记录只能到此为止，我们将通过一些简短的评论作为结束。

在民航机方面，波音公司在1966 年 4月15日又做出了惊人举动，决定“设计一个大家伙”。波音公司在空军C-5 项目竞争中败给了洛克希德公司，c-5是当时世界上最大的运输机。波音公司以这个项目为基础，设计了第一种宽体客机——波音747。时任波音总裁比尔·艾伦和泛美航空公司总裁胡安，特里普都笃信大型宽体客机将在未来的航空客运市场占有经济性优势，他们共同决定执行这个项目。这是一个比研发波音707更为大胆的决定，权威航空史专家詹姆斯，汉森是这样评论的：

根据许多专家的观点，波音747飞机是航空 商业史上最大的赌博，它不仅关系到两大公司的存亡，还关系到许多个人信贷机构的运营。

由于整个项目由私人资金支持，如果波音747 项目失败，那么密西西比州西部一半以上的银行都会受到冲击，这意味着大笔的美元也会随之而去。

这次赌博成功了。波音747（见图7 -8）于1969 年 2月首飞．1970 年 1月在泛美航空公司的纽约一伦敦航线投入运营，34 年后的今天，波音公司仍在生产波音747。

波音747成为后来所有宽体客机的参照标准，它是划时代的机型。它让许多人快捷而经济地进行越洋飞行成为可能。波音747同样具有深远的社会影响。它将不同国家的人们紧密地联系起来，展现了“地球村”的愿景。过去30 年，它对于社会、商业和外交产生的直接影响，成为飞机设计影响社会生活的直接侧证。P274

。经历漫长的研发过程之后，“协和”号飞机1976 年 1月21日投入航线运营。应该说，“协和”号是技术上的成功者、经济上的失败者。P275

飞机及其相关技术的未来将会怎样？笔者希望通过这样一个启发性的问题结束本书。历史不会停止，对未来的预测或许会随着时间推移而显得苍白无力，这就是本书提到的每一次设计变革都没能被准确预测的原因。有鉴于此，本书将以一些简单的想法代替预测未来的长篇大论。

回想一下图1-1中莱特兄弟创造历史的“飞行者”飞机。尽管已经过去100 年，但这仍然只是历史记载中微不足道的一小段。本书回溯了从1903 年开始短短100 年中航空工业取得的巨大进步。回想起来，唯一能够形容这个过程的词就是“令人惊讶”。实际上，有人用“成熟的技术”这个字眼描述现在的航空水平。或许这样说是对的，因为人只有成熟之后才适合决定自己的未来，今天成熟的航空技术应当决定自己在21世纪的发展。本书的读者就正在影响和引领着发展的趋势。

新世纪一个可以预见的发展趋势是高超声速飞行。在20世纪80 年代和90 年代初，包括美国在内的许多国家开展了高超声速飞机的研究。美国致力于空天飞机的概念，研发出一种能够从跑道滑跑起飞、并在大气层内使用空气发动机加速到近轨道速度的飞行器。这项工作的成果是高超声速试验机X – 30。尽管这项工作的开展使许多相关技术得到了发展，但项目本身还是因为巨大的投资而夭折了。然而，以笔者的观点来看，这种停滞只是暂时的。如果说航空的历史表明了一种趋势的话，那它一定是航空始终追求更高和更快的理想。这个概念与当前要求经济性和环境友好性的飞机理念背道而驰，但总体的趋势不会改变。从某种意义上讲，能够经常性地进行高超声速飞行就是航空的终极目标。笔者认为许多年轻的读者将有机会见证人类实现这个终极目标。

高超声速飞行并不是我们将面对的唯一挑战。随着文明的延续，我们也会不断地创造和改进不同的飞机——低速、亚声速、跨声速、超声速和高超声速领域都会涉及。在21世纪之初，我们将为提高飞机性能和飞机设计水平开拓一片拥有无限可能的新天地。P277”

吴砺

2019.12.9