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空氣動力學(xué)魔法,機(jī)翼的故事

  譯者注:本文原文發(fā)表在1996年10月份出版的美國《空軍》雜志(AIR FORCE Magazine)上,原作者是沃爾特·博伊恩(Walter J. Boyne)。博伊恩之前擔(dān)任過華盛頓特區(qū)美國國家航空航天博物館的館長,也是一位退役的空軍上校和作家。他撰寫過600多篇航空方面的文章和40本與航空有關(guān)的書籍。譯文所配圖片有改動。

  “機(jī)翼的變化貫穿著飛行的歷史?!?/p>


形形色色的機(jī)翼

整體概述

  長久以來,“翅膀”這一事物始終在緊緊地抓著人類的想象力。每一種人類文明中都有關(guān)于飛行的神話。盡管人類對飛行如此地迷戀,但直到19世紀(jì),科學(xué)家們才開始使用精確的數(shù)學(xué)方法來計算能夠飛上天的機(jī)器的“翅膀”的最佳尺寸和形狀。1903年,奧維爾·萊特和威爾伯·萊特(譯者注:即著名的“萊特兄弟”)在他們的“飛行者”(Flyer)號飛機(jī)上采用了當(dāng)時最好的翼型,這迫使他們的競爭對手們開始嘗試其他各種形狀、風(fēng)格和尺寸的機(jī)翼,以避免侵犯萊特兄弟的專利權(quán)。有些人轉(zhuǎn)向了多翼機(jī)──三翼機(jī)、四翼機(jī),甚至更多機(jī)翼的飛機(jī);其他一些人則將機(jī)翼的形狀更改成了后掠翼、串翼(andem wing)、連接機(jī)翼(joined wing)和十字翼(cruciform wing)。


至少在古希臘人創(chuàng)造出伊卡洛斯的神話的時候,人類就已經(jīng)開始夢想要獲得一雙翅膀了。這里展現(xiàn)的是18世紀(jì)一幅木刻上伊卡洛斯及其翅膀的形象


萊特兄弟的“飛行者1號”飛機(jī),采用了當(dāng)時最好的翼型

  在這些機(jī)翼當(dāng)中,絕大多數(shù)因為效率太低而難以起飛;有些機(jī)翼則能夠產(chǎn)生剛好足夠的升力,如果再配備有功率足夠強(qiáng)大的發(fā)動機(jī)的話,那么是能夠讓飛機(jī)在空中蹣跚地飛行的。而且,當(dāng)時幾乎沒有幾種機(jī)翼能夠兼顧穩(wěn)定性和效率。

  當(dāng)時的某些機(jī)翼的設(shè)計理念是截然對立的──要么采用非常低的展弦比(即機(jī)翼翼展和平均幾何弦長之比),要么采用非常高的展弦比;或者是要么采用一種純粹的翼型,要么采用升力體結(jié)構(gòu)──不過,在任何一個極端上有時總是會涌現(xiàn)出成功之作。

  從20世紀(jì)20年代到40年代,航空工程方面的進(jìn)步導(dǎo)致了更有力、更復(fù)雜的機(jī)翼的出現(xiàn),而且在這些機(jī)翼上采用了現(xiàn)在為我們所熟悉的增升裝置和現(xiàn)代化的空氣動力學(xué)剖面。盡管如此,機(jī)翼在翼展、安裝角和幾何形狀方面的改變?nèi)栽诓粩嘤楷F(xiàn)。對某些人來說,其最終的目標(biāo)是取消除機(jī)翼之外其他所有的翼面,或者是取消全部或部分的機(jī)翼。


空氣動力學(xué)戲法

  自20世紀(jì)40年代后期以來,空氣動力學(xué)方面的進(jìn)展以越來越快的速度加速發(fā)展著,在結(jié)合了新的要求之后,現(xiàn)代工程學(xué)方法和材料打造出了全新的機(jī)翼結(jié)構(gòu)。當(dāng)時,精巧的增升裝置被安裝到了機(jī)翼的前緣和后緣上,以便在飛機(jī)著陸的過程中發(fā)揮作用,其中縫翼和襟翼可以像魔術(shù)師袖筒里的手帕那樣折疊起來。

  機(jī)翼上的一些“副產(chǎn)品”已經(jīng)變得相當(dāng)復(fù)雜了。道格拉斯公司的C-47“笨鳥”(Gooney Bird)運輸機(jī)那厚厚的機(jī)翼可以讓飛行員永遠(yuǎn)穿行過寒冷、潮濕的云層,用氣動除冰套除去凝結(jié)的冰塊(譯者注:除冰套安裝于飛機(jī)機(jī)翼前緣,由多層橡膠組成,內(nèi)部有可以充氣膨脹的腔體,平時是薄薄的一層,緊貼在前緣表面,工作時充氣膨脹,撐裂前緣表面的積冰);而一些現(xiàn)代化的機(jī)翼──如法國宇航/阿萊尼亞(Aerospatiale/Alenia)公司研發(fā)的ATR-42型飛機(jī)的機(jī)翼──的效率是如此之高,以至于即使是生成了很小的一塊冰也會發(fā)生致命的危險。


安裝在機(jī)翼前緣的氣動橡膠除冰套的工作原理示意圖

  另一方面,隨著機(jī)翼的復(fù)雜性越來越高,有時偶爾也會讓人們回到早期發(fā)明家們提出的一些理念當(dāng)中──這些理念在當(dāng)時由于技術(shù)、機(jī)械甚至政治上的原因而沒能實現(xiàn)。由此,塞繆爾·皮爾龐特·蘭利(Samuel Pierpont Langley)那原本不成功的串翼(tandem wing)式設(shè)計在此期間受到了多年的重視,并且首先由法國人阿貝沙(Albessard)在其“Tri-avion”式戰(zhàn)斗機(jī)和“阿森納-達(dá)拉尼10”(Arsenal-Delanne 10)式戰(zhàn)斗機(jī)上實現(xiàn)了,最近伯特·魯坦(Burt Rutan)又在其“先進(jìn)技術(shù)戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)”(Advanced Technology Tactical Transport,ATTT)上運用了這一翼型。


法國人阿貝沙研制的“Tri-avion”式串翼戰(zhàn)斗機(jī)


“阿森納-達(dá)拉尼10”式串翼戰(zhàn)斗機(jī)


伯特·魯坦設(shè)計的采用串翼構(gòu)型的“先進(jìn)技術(shù)戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)”

  通過這種類似的方式,最偉大的回歸表現(xiàn)在了飛翼上。早在1901年,在萊特兄弟的滑翔機(jī)上飛翼這種翼型就表現(xiàn)得很好,而現(xiàn)在在美國密蘇里州懷特曼空軍基地的起飛線上又出現(xiàn)了最高級的飛翼──諾思羅普·格魯曼公司的B-2隱身轟炸機(jī)。

  萊特兄弟后來又在他們的飛機(jī)上加裝了升降舵和方向舵,但仍采用了他們強(qiáng)力支持的雙翼構(gòu)型。采用這種組合的機(jī)翼是一款設(shè)計上的杰作,實現(xiàn)了翼展、弦長和翼間距的平衡,無數(shù)其他設(shè)計師開始競相模仿;再加上他們對三軸控制需求的深刻理解,萊特兄弟為當(dāng)時其他大多數(shù)航空發(fā)明家奠定了模式,可以說這些發(fā)明家當(dāng)中幾乎沒有人不曾受到過“侵犯萊特兄弟的這一專利權(quán)”的困擾。

  某些航空發(fā)明家,例如格倫·柯蒂斯(Glenn H. Curtiss)也采用了類似的雙翼平面布局,但他試圖通過使用副翼的方式來避開萊特兄弟的專利。其他航空發(fā)明者們則依賴于他們的直覺、他們的審美意識,或者是他們對復(fù)雜的機(jī)械解決方案的癡迷──他們希望以一種不同于萊特兄弟的方法踏上飛行之路。

  威爾伯·萊特于1908年在法國勒芒(Le Mans)進(jìn)行的成功展示打開了歐洲人想象力的閘門,并開創(chuàng)了一股創(chuàng)新設(shè)計的潮流。盡管這些創(chuàng)新設(shè)計中大部分都失敗了,但其中許多設(shè)計方案都預(yù)示了未來的發(fā)展趨勢。

  洛克希德·馬丁公司的F-117“夜鷹”隱身戰(zhàn)斗機(jī)或老式的康維爾公司的F-102“三角劍”F-106“三角標(biāo)槍”截?fù)魴C(jī)所采用的低展弦比機(jī)翼在早期的許多飛機(jī)身上都有過體現(xiàn),這一切始于1911年弗里克-賴尼希(Flick-Reinig)研發(fā)的“流星”(Apteroid)飛機(jī),這款雙翼機(jī)的機(jī)翼沿著機(jī)身前后布置,而不是沿著機(jī)身垂線的方向上下布置,看上去就好像這架飛機(jī)是為了用鐵路車廂運輸而進(jìn)行了包裝一樣。


1911年弗里克-賴尼希研發(fā)的“流星”(Apteroid)飛機(jī)模型。這款雙翼機(jī)的機(jī)翼沿著機(jī)身前后布置,而不是沿著機(jī)身垂線的方向上下布置,看上去就好像這架飛機(jī)是為了用鐵路車廂運輸而進(jìn)行了包裝一樣


康維爾公司的F-106“三角標(biāo)槍”截?fù)魴C(jī)


洛克希德公司的F-117“夜鷹”隱身戰(zhàn)斗機(jī)

  緊隨其后,許多低展弦比的飛機(jī)紛紛涌現(xiàn),包括1912年由麥考密克·羅姆(McCormick Romme)推出的“傘式飛機(jī)”(umbrella plane)。這款飛機(jī)是由當(dāng)時年輕的錢斯·沃特(Chance Vought)設(shè)計的,它有一個不存在任何彎度的圓形機(jī)翼,外觀上就像是一套松散地拼接起來的遮陽篷。盡管如此,當(dāng)為其裝上了一臺“土地神-羅納”(Gnome-Rh?ne)公司的動力澎拜的功率為50馬力的轉(zhuǎn)缸式航空發(fā)動機(jī)時,這款綽號為“甜甜圈”(doughnut)的飛機(jī)不僅成功地飛了起來,而且在其所停放的伊利諾伊州西塞羅(Cicero)市那處機(jī)場的上空進(jìn)行了可控的飛行。


1912年由麥考密克·羅姆推出的“傘式飛機(jī)”。譯者注:原文記述似有誤,查閱相關(guān)資料可知,這款飛機(jī)實際上是由商人哈羅德·麥考密克(Harold F. McCormick)和約翰·洛克菲勒(John D. Rockefeller)資助的,發(fā)明者是威廉·羅姆(William S. Romme)


飛行薄餅

  在接下來的歲月里,人們又嘗試了幾十款小展弦比的機(jī)翼,因為他們相信小展弦比飛機(jī)的一大固有特點是高升力。在這些嘗試性的機(jī)翼中,最成功的之一是由查爾斯·齊默爾曼(Charles H. Zimmerman)設(shè)計的。在其于1942年設(shè)計的沃特V-173“飛行薄餅”飛機(jī)中,齊默爾曼通過將來自非常龐大的螺旋槳的氣流引導(dǎo)到整個機(jī)翼面上的方式而進(jìn)一步強(qiáng)化了“小展弦比”的設(shè)計理念。


飛機(jī)設(shè)計師們有時會采用相同的方法來解決不同的問題。上圖所示為一架沃特V-173“飛行薄餅”,該機(jī)采用小展弦比設(shè)計的目的是為了減少阻力,而洛克希德·馬丁公司研制的F-117的機(jī)翼也采用了相似的小展弦比設(shè)計,目的卻是為了降低雷達(dá)反射信號

  沃特V-173由邦尼·蓋頓(Boone T. Guyton)、查爾斯·林德伯格(Charles A. Lindbergh)和納吉布·哈拉比(Najeeb E. Halaby)等人成功地駕駛著進(jìn)行了試飛,并被發(fā)展成了外觀俏皮的沃特XF5U-1飛機(jī)──這是一款采用圓形平面機(jī)翼的海軍戰(zhàn)斗機(jī)。XF5U-1太激進(jìn)了,而且在噴氣發(fā)動機(jī)面前顯得太過時了,最終該機(jī)在首飛之前就被拆解了。(譯者注:XF5U-1進(jìn)行過地面滑行實驗,且在滑行的過程中短暫地“跳”了起來,但并未進(jìn)行過真正的飛行)


沃特XF5U-1飛機(jī)

  低展弦比的機(jī)翼最終在三角翼設(shè)計中有了突出的表現(xiàn),這些設(shè)計源自亞歷山大·李比希博士(Dr. Alexander M. Lippisch)的天才。李比希博士設(shè)計的第一架三角翼飛機(jī)于1931年飛上了天空,接著李比希博士又提出了一系列的創(chuàng)新設(shè)計,其中最著名的是世界上第一架三角翼火箭動力戰(zhàn)斗機(jī)──梅塞施密特Me 163“彗星”(Komet)截?fù)魴C(jī)。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,三角翼布局讓許多飛機(jī)獲得了優(yōu)良的性能,包括造型美觀的康維爾B-58“盜賊”(Hustler)轟炸機(jī),這是世界上第一架超音速轟炸機(jī)。采用過三角翼布局的外國飛機(jī)制造商包括達(dá)索、阿芙羅、費爾雷、薩博、圖波列夫設(shè)計局和米格設(shè)計局等。


梅塞施密特Me 163“彗星”截?fù)魴C(jī)


康維爾B-58“盜賊”超音速轟炸機(jī)

  在展弦比設(shè)計思想的另一個極端,取得成功看上去要更加容易──高展弦比的機(jī)翼無疑是有效的,并在滑翔機(jī)上得到了廣泛的運用。法國飛機(jī)制造商雷爾-杜布瓦(Hurel-Dubois)公司在20世紀(jì)40年代后期研發(fā)了擁有極高的展弦比、且采用支撐機(jī)翼(strut-braced-wing)的飛機(jī),此舉進(jìn)一步推動了高展弦比的設(shè)計理念。后來這種設(shè)計理念沉寂了許多年,直到肖特兄弟(Short Brothers)公司為美國空軍研發(fā)出了諸如C-23“雪帕”(Sherpa)運輸機(jī)等飛機(jī)后才再次煥發(fā)出了生機(jī)──但這也是其僅有的生機(jī)了。


肖特兄弟公司為美國空軍研發(fā)的C-23“雪帕”運輸機(jī),從圖中可以明顯地看出其采用了支撐機(jī)翼設(shè)計

  到20世紀(jì)30年代,雖然全世界的大多數(shù)航空工程師們都在努力探究懸臂式下單翼全金屬飛機(jī)的共同特征,但一些設(shè)計師仍在堅持針對某些特定的問題而尋找非正統(tǒng)的解決方案。其中,俄裔工程師米哈伊爾·馬霍尼涅(Mikhail Makhonine)于1931年在法國設(shè)計的單翼飛機(jī)上嘗試了可變翼展機(jī)翼的理念──這款造型優(yōu)美的飛機(jī)擁有可伸縮的外翼段,這使得其翼展能夠在43英尺(約13.1米)至69英尺(約21米)之間改變,其機(jī)翼面積也隨之在226平方英尺(約21平方米)至335平方英尺(約31.1平方米)之間改變。更大的翼展允許飛機(jī)以更大的重量起飛,而爬升到一定高度后,減小翼展則可以讓飛機(jī)的速度更快。


俄裔工程師米哈伊爾·馬霍尼涅于1931年設(shè)計的Mak-10飛機(jī),其機(jī)翼可伸縮,從圖中可以明顯地看到嵌入在“翼套”里的可伸縮外翼段

  其他的發(fā)明家們也在用其非正統(tǒng)的設(shè)計方案來尋求安全。1931年,阿爾伯特·梅里爾(Albert A. Merrill)設(shè)計了一架可防止失速的雙翼飛機(jī)。同一年,喬治·科尼利厄斯(George W. Cornelius)發(fā)明了他的第一架可改變迎角的飛機(jī),并在幾年之后推出了他那款綽號“野鴨”(Mallard)的飛機(jī)──“野鴨”具有可變的迎角和前掠的機(jī)翼。真正實用化的成功的可變迎角飛機(jī)在1955年登場了,這就是沃特公司(后來成了凌-特姆科-沃特公司)的F-8U“十字軍戰(zhàn)士”(Crusader)戰(zhàn)斗機(jī)?!笆周姂?zhàn)士”采用可變迎角設(shè)計的目的主要不是為了避免失速,而是為了便于從航空母艦的甲板上起飛。


喬治·科尼利厄斯在20世紀(jì)30年代推出的杰作“野鴨”飛機(jī),該機(jī)采用了頗具前瞻性的前掠翼和可調(diào)迎角機(jī)翼

  德國人則憑借其梅塞施密特P-1101噴氣式原型機(jī)而在可變幾何外形的機(jī)翼設(shè)計中拔得了頭籌。P-1101從來沒有飛上天過,但是為了進(jìn)行比較飛行試驗,這款飛機(jī)已經(jīng)能夠在地面上對機(jī)翼的后掠角進(jìn)行調(diào)節(jié)。貝爾公司修改了相關(guān)的設(shè)計,并在1951年推出了X-5飛機(jī),這款飛機(jī)的機(jī)翼后掠角能夠在20度至60度之間變換,這使得它成為了第一架用可變幾何外形的機(jī)翼進(jìn)行飛行的高性能飛機(jī)。


二戰(zhàn)期間納粹德國的梅塞施密特P-1101噴氣式飛機(jī),其能夠在地面上對機(jī)翼的后掠角進(jìn)行調(diào)節(jié)


貝爾X-5驗證機(jī),該機(jī)在外形上大量借鑒了P-1101,機(jī)翼可在20度至60度之間變換,總變換時間需要20秒鐘。當(dāng)電動后掠裝置失效后,飛行員可使用手動裝置完成機(jī)翼后掠角度的變換工作(X-5只能在低于40度的后掠角下安全著陸)

  在其于1952年推出的不成功的XF10F-1“美洲虎”(Jaguar)飛機(jī)身上,格魯曼公司對可變幾何外形的機(jī)翼進(jìn)行了實驗。格魯曼公司在XF10F-1身上總結(jié)出來的有關(guān)可變幾何外形機(jī)翼的原理為“美洲虎”的繼任者F-14“雄貓”奠定了基礎(chǔ),并惠及了美國和其他國家研發(fā)的眾多機(jī)型,包括美國的F-111戰(zhàn)斗機(jī)B-1轟炸機(jī)、蘇聯(lián)的米格-23戰(zhàn)斗機(jī)蘇-24戰(zhàn)斗轟炸機(jī),以及歐洲多國合作的帕那維亞“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)。


XF10F-1原型機(jī),該機(jī)并沒有進(jìn)行批量生產(chǎn),而是在制造了幾架原型機(jī)后項目就被取消了


意外的收益

  自從飛機(jī)誕生最初的那段歲月以來,“固定翼后掠”這一設(shè)計已經(jīng)在數(shù)十款飛機(jī)上得到了應(yīng)用,而且后掠翼設(shè)計經(jīng)常被作為解決飛機(jī)重心問題的方案。意在提高飛機(jī)最大飛行馬赫數(shù)的后掠翼自20世紀(jì)30年代初期以來一直是航空界研究的課題之一,但卻出人意料地在一架早期的實用化噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)──1942年7月18日首飛的梅塞施密特Me 262戰(zhàn)斗機(jī)身上變成了現(xiàn)實。Me 262最初是作為一款平直翼飛機(jī)而設(shè)計的,但出于平衡發(fā)動機(jī)推力的增加和重心改變的需要而導(dǎo)致設(shè)計師們改用了后掠翼設(shè)計,同時帶來了“提高了飛機(jī)臨界馬赫數(shù)”這一意外的在空氣動力學(xué)方面的收益。


納粹德國空軍的Me 262戰(zhàn)斗機(jī)

  早在1906年,阿爾貝托·桑托斯-杜蒙(Alberto Santos-Dumont)的第14號雙翼機(jī)就采用了前掠翼設(shè)計,而且該機(jī)在歐洲完成了第一次正式的有動力飛行器的飛行。后來,科尼利厄斯又設(shè)計了一系列采用前掠翼的飛機(jī),其中一款還是滑翔機(jī)(用于運輸燃油)。

  第一架采用前掠翼設(shè)計并飛上了天空的噴氣式飛機(jī)是德國容克斯公司在1944年推出的六引擎Ju 287轟炸機(jī)的原型機(jī)。前掠翼被認(rèn)為具有可提高臨界馬赫數(shù)的優(yōu)點,與此同時在飛機(jī)從低速向高速加速時可避免后掠翼固有的不利特征,在這一速度區(qū)間內(nèi)飛機(jī)也更容易操控。(譯者注:此說法似乎不嚴(yán)謹(jǐn),準(zhǔn)確地說后掠翼在附面層形成的速度區(qū)間機(jī)翼的升力會明顯下降,飛機(jī)的機(jī)動能力進(jìn)而會受到很大的限制,這個速度區(qū)間約為0.6馬赫至1.1馬赫,也就是常說的亞、跨音速階段;而前掠翼恰好和后掠翼相反,其附面層形成較早且穩(wěn)定,飛機(jī)在亞、跨音速階段升力充足且機(jī)動性好,這樣就很容易進(jìn)行超音速巡航)


德國容克斯公司在1944年推出的Ju 287轟炸機(jī)。該機(jī)的第二種原型機(jī)Ju 287V2使用四臺亨克爾-希斯(Heinkel-Hirth)011A噴氣發(fā)動機(jī),每側(cè)翼下掛兩臺。由于該發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)廠被盟軍炸毀,后不得已改為使用六臺BMW003A-1噴氣發(fā)動機(jī)。如每側(cè)翼下懸掛三臺發(fā)動機(jī)則稱為Ju 287V2型;如每側(cè)翼下懸掛兩臺發(fā)動機(jī),前機(jī)身兩側(cè)各保留一臺則稱為Ju 287V3型,即預(yù)生產(chǎn)型Ju 287A-0

  第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,前掠翼飛機(jī)在商業(yè)方面的第一個成功應(yīng)用案例是德國漢莎航空公司推出的行政勤務(wù)噴氣式飛機(jī)(研發(fā)這款飛機(jī)的和研發(fā)Ju 287轟炸機(jī)的是同一支團(tuán)隊)。然而,對前掠翼這一翼型最杰出的運用則非高度先進(jìn)的格魯曼X-29驗證機(jī)莫屬(譯者注:原文發(fā)表于1996年,此時俄羅斯蘇霍伊設(shè)計局的S-37前掠翼技術(shù)驗證機(jī)尚未首飛。譯者個人認(rèn)為俄羅斯的S-37總的來看要優(yōu)于美國的X-29)。


美國格魯曼公司研制的取得了高度成功的X-29前掠翼技術(shù)驗證機(jī)。該機(jī)前掠翼的后緣(升降副翼)可連續(xù)變化以與飛行狀況相匹配


俄羅斯蘇霍伊設(shè)計局的S-37“金雕”前掠翼驗證機(jī)

  不安裝任何垂直安定面的純飛翼是許多設(shè)計師的目標(biāo),但其他一些人則僅僅是簡單地試圖讓他們設(shè)計的飛機(jī)不再受機(jī)身后部及尾翼的重量和阻力的影響。在這些人當(dāng)中,第一位首推萊特飛機(jī)公司的試飛員尤金·勒菲夫(Eugene Lefebvre)──勒菲夫是第一位在有動力飛行器的飛行事故中遇難的飛行員,時間是1909年9月7日。

  無尾飛機(jī)這一設(shè)計理念歷經(jīng)了多次變換,曾經(jīng)探索過這種構(gòu)型的航空制造商有一大堆,包括布萊里奧特公司(Blériot)、格蘭維爾兄弟公司(Granville Brothers)、韋斯特蘭飛機(jī)制造廠(Westland Aircraft Works)和???沃爾夫公司(Focke-Wulf),但最終在該領(lǐng)域取得了最輝煌的成就的是伯特·魯坦設(shè)計的那款造型流暢且采用了復(fù)合材料的Long-EZ超輕型飛機(jī)(EZ-1)。


伯特·魯坦設(shè)計的Long-EZ超輕型飛機(jī)(EZ-1)

  多個參戰(zhàn)國家在第二次世界大戰(zhàn)期間研制出了無尾飛機(jī)的原型機(jī),不過當(dāng)時人們設(shè)計無尾飛機(jī)的目標(biāo)并不是追求這種布局所固有的穩(wěn)定性(譯者注:此說法存疑,因為無尾飛機(jī)在某一飛行速度下較容易保持穩(wěn)定,但是一旦飛行速度和姿態(tài)發(fā)生變化時,壓力中心就會移動,飛機(jī)就很難繼續(xù)保持穩(wěn)定飛行了),而是通過消除螺旋槳產(chǎn)生的滑流阻力而獲得更高的速度(譯者注:螺旋槳滑流會使機(jī)翼在滑流區(qū)的動壓增加,導(dǎo)致機(jī)翼局部環(huán)量的增加,從而產(chǎn)生升力增量和誘導(dǎo)阻力增量)并改善飛行員視野,同時可以在機(jī)頭中心部位實現(xiàn)火力的集中。這一領(lǐng)域的開拓者是意大利人于1941年首飛的造型優(yōu)美的安布羅西尼(Ambrosini)S.S.4截?fù)魴C(jī),這款飛機(jī)飛得又快又好,但在一次由于發(fā)動機(jī)故障而導(dǎo)致的墜毀事故后就被放棄了。


黑色子彈

  1943年,柯蒂斯公司研制的三架XP-55“升騰”(Ascender)中的第一架飛上了藍(lán)天。XP-55具有驚人的失速特性,但在性能方面卻平淡無奇。盡管如此,與另一款1943年問世的無尾飛機(jī)──諾思羅普公司的全鎂合金構(gòu)造的XP-56“黑色子彈”(Black Bullet)相比,“升騰”已經(jīng)算是一款優(yōu)秀的飛機(jī)了。共有兩架XP-56被制造了出來,其中一架在滑行的時候就損毀了。


1943年柯蒂斯公司研制的XP-55“升騰”無尾布局飛機(jī)


諾思羅普公司的全鎂合金構(gòu)造的XP-56“黑色子彈”無尾布局飛機(jī)

  1945年,身處絕望之中的日本人也嘗試著接受了研發(fā)無尾飛機(jī)的挑戰(zhàn),并由九州飛行機(jī)公司(Kyushu)研制了J7W1“震電”(Shinden)戰(zhàn)斗機(jī)?!罢痣姟钡臉?gòu)造與意大利人的安布羅西尼S.S.4飛機(jī)非常相似──推進(jìn)式后置螺旋槳、后掠的機(jī)翼,以及前置的鴨翼。在試飛開始之前,“震電”就被要求批量生產(chǎn)?!罢痣姟庇?945年開展的初步飛行測試取得了成功,但在原型機(jī)進(jìn)行第二次試飛前戰(zhàn)爭就結(jié)束了,“震電”的生產(chǎn)計劃也隨之宣告結(jié)束。


二戰(zhàn)期間日本九州飛行機(jī)公司研制的J7W1“震電”戰(zhàn)斗機(jī)


意大利安布羅西尼S.S.4戰(zhàn)斗機(jī),“震電”的參考原型機(jī)

  唯一一款投產(chǎn)并參加了戰(zhàn)斗的無尾布局飛機(jī)是前面提到的梅塞施密特Me 163火箭動力戰(zhàn)斗機(jī),這款飛機(jī)在1941年的一次飛行中速度超過了623英里/小時(約1002.6千米/小時,相當(dāng)于278.5米/秒)。當(dāng)Me 163沒有爆炸時,其飛行是頗令人愉快的──Me 163戰(zhàn)斗機(jī)在長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)和軍械方面存在缺陷,這使得其成了一款無效的戰(zhàn)斗機(jī)。

  “研制一款純飛翼飛機(jī)”這一璀璨目標(biāo)吸引了諸多設(shè)計師的注意力──從雨果·容克斯(Hugo Junkers)到霍頓兄弟(Horten brothers),再到安東尼·斯塔德曼(Anthony Stadlman)和約翰·諾思羅普(John K. Northrop)。就純粹的飛翼而言,總是有一些頗具內(nèi)在吸引力的東西:飛翼的線條光滑、阻力低,且擁有極大的有效載荷能力。

  第一架純飛翼構(gòu)型的戰(zhàn)斗機(jī)(順便說一句,如果不是偶然的話,這也是第一架具備隱身特征的戰(zhàn)斗機(jī))是霍頓兄弟研發(fā)的Ho-IX V3戰(zhàn)斗機(jī),該機(jī)原本會被賦予“哥達(dá)”(Gotha)Go 229的編號并進(jìn)入批量生產(chǎn)。Go 229是一架雙發(fā)噴氣式飛機(jī),主要由成型木材制作而成(為了幫助飛機(jī)躲避雷達(dá)探測)。Go 229的性能和操縱特性都相當(dāng)不錯,但像納粹德國的許多“末日武器”一樣,它在戰(zhàn)爭中出現(xiàn)得太晚了。


霍頓兄弟研發(fā)的Go 229戰(zhàn)斗機(jī)

  最終,“打造一系列純飛翼”的碩果落到了諾思羅普手中,并最終發(fā)展出了XB-35與XB-49轟炸機(jī)這兩款巔峰之作,而且這兩款飛機(jī)在20世紀(jì)40年代中期看上去有很大的成功的希望。在戰(zhàn)爭期間,已經(jīng)有4架比例為三分之一的模型進(jìn)行了順利的試飛,而且XB-35轟炸機(jī)的原型機(jī)也于1946年6月25日飛上了天空。當(dāng)時美國軍方一次就下了多達(dá)200架B-35的訂單,但隨著需求的改變,再加上飛翼在運載著炸彈飛行期間缺乏穩(wěn)定性,這一切給飛翼帶來了爭議,并最終導(dǎo)致項目被取消。


XB-35飛翼轟炸機(jī)原型機(jī)

  YB-49是一架外形更加“干凈”的飛機(jī)。YB-49基本上就是在YB-35的基礎(chǔ)上換裝了八臺埋在機(jī)翼里的艾里遜J35渦輪噴氣發(fā)動機(jī)而成的,該機(jī)的性能導(dǎo)致美國軍方下達(dá)了一份采購30架偵察型RB-49的訂單,不過后來訂單又取消了。諾思羅普生產(chǎn)的所有的大型飛翼都被拆解了,但有兩個縮比模型被保留了下來,其中一個陳列在了華盛頓特區(qū)的史密森尼國家航空航天博物館,另一個可飛的模型陳列在了加利福尼亞州的奇諾名人堂飛機(jī)博物館(Planes of Fame Museum in Chino)。


YB-49飛翼式噴氣轟炸機(jī)原型機(jī)


  “吹氣機(jī)翼”(blown wing)的概念首先由威拉德·卡斯特(Willard R. Custer)用其設(shè)計的作品“半環(huán)機(jī)翼”(Channel wing)進(jìn)行了闡述。一場有關(guān)中型噴氣式飛機(jī)的競爭導(dǎo)致了波音YC-14和麥克唐納·道格拉斯YC-15的誕生,后者的研發(fā)經(jīng)驗則直接導(dǎo)致了今天麥克唐納·道格拉斯C-17“環(huán)球霸王 Ⅲ”(Globemaster III)空中運輸機(jī)的誕生,這是美國空軍空中機(jī)動司令部(Air Mobility Command)最新銳的“軍馬”。



多年來,人們在卡斯特“半環(huán)機(jī)翼”(上)和波音YC-14(下)這樣的飛機(jī)上多次嘗試過讓發(fā)動機(jī)噴出的氣體流過機(jī)翼上表面以增加升力,這兩款設(shè)計的競爭對手──麥克唐納·道格拉斯公司的YC-15最終發(fā)展成了美國空軍C-17“環(huán)球霸王Ⅲ”運輸機(jī)的雛形

  一款更加機(jī)密的翼型是“任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼”(mission-adaptive wing),這種翼型正在由波音公司、美國國家航空航天局和美國空軍組成的聯(lián)合團(tuán)隊在通用動力公司的F-111戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上進(jìn)行測試。C-5“銀河”(Galaxys)運輸機(jī)和C-141“運輸星”(Starlifter)運輸機(jī)通過明智地采用增升裝置而實現(xiàn)了機(jī)翼與飛機(jī)重量“任務(wù)自適應(yīng)”情況下的正常飛行。在報告《新世界的展望,21世紀(jì)的空中和空間力量》(New World Vistas, Air and Space Power for the 21st Century)中,美國空軍科技咨詢委員會(Air Force Scientific Advisory Board)對新技術(shù)進(jìn)行了預(yù)測,其中,“自適應(yīng)機(jī)制”的概念甚至被排在了“變彎度與主動氣動控制”(通過感知來監(jiān)測飛機(jī)的“健康狀況”并補(bǔ)償戰(zhàn)斗損傷)的前面。


自從萊特兄弟發(fā)明了“翹曲機(jī)翼”(wing-warping,譯者注:翹曲機(jī)翼的原理是當(dāng)一側(cè)的機(jī)翼翹曲和扭轉(zhuǎn)的時候,其會因產(chǎn)生更大的升力而升高,同時讓機(jī)身朝機(jī)翼較低的一側(cè)轉(zhuǎn)向)以來,設(shè)計師們始終在嘗試著各種尺寸和形狀的機(jī)翼,以獲得更好的性能。上圖所示即為波音公司、美國國家航空航天局和美國空軍聯(lián)合在通用動力公司的F-111戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上測試的“任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼”


其實,人們對高性能機(jī)翼的探究由來已久。上圖所示為伯林納-喬伊斯(Berliner-Joyce)飛機(jī)公司研發(fā)的XOJ-1飛機(jī)及其采用的“扎普襟翼”(zap flap,譯者注:扎普襟翼是一種后退式襟翼,展開后不僅可以改變機(jī)翼的彎度,還可以增加翼面積)

  有趣的是,報告《新世界的展望,21世紀(jì)的空中和空間力量》在未來方向的大膽跨越伴隨著可預(yù)期的對過去的回歸。例如,這份報告提出,未來的遠(yuǎn)程運輸機(jī)有可能會像雷爾-杜布瓦所制造的飛機(jī)那樣采用支撐結(jié)構(gòu)、具有非常高的展弦比的機(jī)翼。這份報告還展望了翼身融合體構(gòu)型(blended-wing-body)的運輸機(jī)設(shè)計,這與文森特·勃內(nèi)利(Vincent Burnelli)多年前提出的那些概念相似。這份報告最后說,未來的遠(yuǎn)程轟炸機(jī)可能會采用中央發(fā)動機(jī)艙和前掠翼,正如喬治·科尼利厄斯在20世紀(jì)30年代所建議的那樣。


從數(shù)千年前的古希臘神話,到1903年萊特兄弟實現(xiàn)了人類飛行的夢想(圖中所示為1901年萊特兄弟研制的滑翔機(jī)),再到迄今為止最成功的采用飛翼構(gòu)型的隱身轟炸機(jī)B-2,一個顯而易見的事實就是:機(jī)翼的變化貫穿著飛行的歷史


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