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飞机设计的趣闻轶事 程不时大小机翼之争B29设计中美国军方的疑惑在第二次世界大战中问世的美制B29重型轰炸机，是当时使用的最大机型。该机是美国对20世纪前半个世纪大型飞机技术集大成的机型，在大战结束时曾用于对日本投掷原子弹。在大战中，B29曾在中国大陆起飞轰炸过日本本土。当时曾有一架B29在前苏联境内迫降，被前苏联扣留并测绘制成图4重型轰炸机，从此该机便成为 前苏联对大型金属飞机领域发展的起点。B29并不是如常规那样按军方公布的设计要求研制出来的，而是出自波音公司1939年的两项自费型号的预先研究。在1939年12月，波音公司自费建造了一种重型轰炸机的展览样机。至此，军方才提出了设想的“超级轰炸机”的技术要求。1942年5月，美国军方拨给了对其进行进一步研究和风洞试验的经费。同年8月，又拨给了制造两架原型机及一架静力试验机的经费。由于军方要求这架飞机具备前所未有的航程、载弹量和自卫火力，这就使得该飞机被设计成为一种重量空前的飞机。波音公司为这种飞机设计的机翼载荷，超过了已有航空设计的经验。也就是说，相对于要承受的飞机重量而言，设计了一副面积较小的机翼。凡是突破原有的技术，必然引起新的疑虑。由于B29的机翼面积比按常规设想的要小，所以引起了军方技术人员的怀疑，他们要求加大机翼面积。这对波音公司的设计人员施加了不小的压力。于是美国军方与设计方爆发了一场“大小机翼之争”。加大机翼面积，可以使飞机便于起飞和着陆。但是大机翼将使飞机的阻力加大，使飞机的巡航速度减小，其载油量就不可能飞完原定的航程。如果要保证原定的航程，就必须挤掉载弹的重量来增加燃油；如果既要保证原定的航程，又要保持载弹量，那就必须增加载油量，这样一来，飞机的结构尺寸也要放大，这些都会使飞机的重量进一步增加。反过来，这又会要求把机翼加得更大。几个循环下来，飞机的整体尺寸就会比原设计放大出很多。设计人员用令人信服的理由，终于说服军方同意保持原设计的尺寸规模。在采用较小机翼后对飞机起飞着陆性能的改善，则依靠在机翼后缘采用更先进的“富勒襟翼”来解决。这种襟翼在放下时，不但如以前的“开裂式襟翼”一样，会改变机翼剖面的弯度，并且还会增加20的机翼面积。这样就加大了飞机在起飞着陆低速飞行阶段下的升力。为此，设计人员通过一系列的风洞试验来改进和完善襟翼设计，并且将在一架小型教练机PT19A装上B29机翼和平尾的缩比模型进行了试飞验证，以证实这种设计的合理性。可以说，在飞机大型化过程中，在航空技术发展史上起了重要作用的B29，曾引发了对机翼增升装置的不断改进。高速与低速性能的矛盾一般来说，大机翼有利于起飞着陆，小机翼有利于高速巡航。大小机翼之争，实际就是说，在设计中是应更多地照顾飞机起飞着陆的低速性能，还是更多地照顾飞机巡航的高速性能的问题。对于大型飞机来说，低速性能要求机翼之“大”，与巡航性能要求机翼之“小”，两者相差很远。在实际设计中，总是力图加大机翼增升装置（襟翼）的增升作用，使机翼在满足着陆要求的条件下做得尽可能小些，以尽量满足高速飞行中的小机翼要求。 飞机向大型化发展，飞机的起飞吨位不断增加，因此提高襟翼的增升能力，是飞机大型化中必须不断研究的问题。 1954年，美国推出了它的第一种喷气客机36780型，这是波音707的前身。虽然在此前，欧洲和前苏联已经推出过几种喷气客机，如英国的“彗星”号、“三叉戟”，苏联的 图104，法国的“快帆”等等，但是这些客机的载客量都是在100座以内，票款的收入很难与在具有喷气技术飞机上所付出的代价平衡，因此在运营经济性上都不很成功。美国大胆地推出的波音707的载客量是180人，比以前的喷气客机的载客量几乎提高一倍。这种机型很快在全球民用喷气客机市场上打开了局面，并同时成为一种极有军事价值的空中飞行平台，其军用改型得到美国军方的大量采用。因此有人认为，波音707是真正打开“喷气时代”大门的机种。但是这种载客量的飞机，它的机翼载荷必须进一步提高才能充分发挥效能。这就要求机翼上的增升装置必须提高其增升效果，才能满足飞机在起飞着陆低速飞行阶段的性能要求。波音707在机翼后缘采用了“双缝襟翼”，即在襟翼放下后，从襟翼前缘造成两股气流吹拂襟翼上表面，以防止在襟翼大偏角度下上表面的气流分离。同时，在机翼的前缘则采用了全翼展的“前缘襟翼”以改善机翼的弯度。有意思的是，机翼后缘的襟翼放下后，在机翼根部造成的气流缝隙，理论上会减小增升效果。为了考察在实际飞机上这个作用是否显著，波音公司特地在一架试飞的飞机上，事先用螺栓固定一块档板把这个缝隙堵上，然后再让试验机带着放下的襟翼起飞，在空中观察试验效果。试验中果然发现，飞机的失速速度有进一步的降低，有利于改善起飞着陆性能。因此在后来制造的波音707飞机上，其机翼内侧襟翼的内端，都安装有一块带滑轨的角片，以用来堵塞襟翼放下时的缝隙。由此人们可见，设计师们为了发掘出增升装置的潜力，在设计细节上是如何地不遗余力。在近代大型飞机的设计中，甚至还要考虑飞机在进入失速时，由于飞机本身可观的惯性影响，飞机的实际失速速度可以低于预测的失速速度。如果将这个效应考虑进去，机翼面积可以比理论预计的再减小10以上的量级。这样选择出的机翼面积，就可进一步接近高速巡航所需要的“小机翼”面积了。加缝到“三缝”效果到头了喷气技术在运输类飞机上的技术优势和综合经济效益，在大型飞机上发挥出了势不可挡的优势。因此，在波音707推出后14年，波音公司又推出了20世纪最大的喷气客机波音747，其载客量比707又提高了一倍以上，达到363490人。从总体布局上看，波音747的设计在很大程度上是波音707的放大。比较明显的差别是，为了使装货时货箱能够通畅地进入客舱而将驾驶舱凸出在机头上方，并将机翼的后掠角从波音707的35度加大到375度。但是，由于波音747具有更大吨位的起飞重量，所以要求探寻更有效的机翼增升装置。波音从B29的后退式“富勒襟翼”，得到过有明显增升效果的好处。在波音707上将襟翼的“单缝”改为“双缝”后，又进一步提高了增升效果。那么，继续增加襟翼的开缝数量，是否还可以发掘出新的增升潜力呢？通过风洞试验，果然发现将襟翼前端“双缝”改为“三缝”，增升效果可以进一步提高。但是提高的幅度，已经不如从“单缝”改为“双缝”那么大了。如果再设计为“四缝”，增升效果虽然增加，但改进的幅度就会更不明显，而且也不能抵消由此增加的结构复杂度带来的负面影响。因此，靠增加襟翼的缝数来提高增升效果，三缝已经到头了，缝数再多似如隔靴搔痒。也许，襟翼缝数的增升效果能说明世间许多事物的“非线性”规律，即有些东西并不是越多越好，或者越少越好那么简单。数量到一定程度就达到了变化的极限，原来的规律就不再适用了。超过了限度，有时反而达不到设想的结果。正因为如此，所以问题通常都有一个“最优”的解答，设计也有一个“优化设计”的问题。就这样，20世纪最大的波音747飞机，在机翼后缘采用的是“三缝襟翼”。到今天为止，还没有出现过某种采用“四缝”或“五缝”襟翼的飞机。至于在航空研究中曾经研究过的效能更高的“喷气襟翼”等先进增升技术，由于其工程实施上的复杂性，虽提出已有40多年，但并没有在大型喷气飞机上实际使用。后掠翼大型飞机诞生的故事1938年8月27日，德国的“亨克尔178”喷气试验机作了首次飞行，开创了喷气飞机的先河。但这种新技术遭到当时德国官方的否定。两年后，1941年5月14日，英国用完全独立研制的第一架喷气飞机“格罗斯特E28”作了首次飞行。当喷气技术的优点被英方认识到之后，立即进行了喷气战斗机的设计。而这种飞机的发动机也立即被送到了美国，使美国能使用这种新型动力来设计新的飞机。由于初期的喷气发动机推力很小，所以当时只能在战斗机上使用。英美所研制的喷气战斗机，都没有赶上在二次大战的战场上发挥作用。但在战争结束后的19461948年，他们则进行了战斗机由螺旋桨至喷气化的大转换。1943年，波音公司应美国空军要求进行了用多台喷气发动机装备轰炸机的研究。开始了大型飞机喷气化的历史进程。紧急电报中止了传统设计波音公司先后提出过几种研究性方案。正如早期喷气战斗机的发展过程一样，最初一些设想是在传统的平直机翼飞机上简单地装上喷气发动机。波音公司最初的“424号”方案实际上就是B29螺旋桨轰炸机的缩小，只是在翼下成对地挂上四台喷气发动机。风洞试验揭示出这个方案是不成功的。波音公司开始寻找其它的发动机位置来增进机翼效率。“432号”方案是将四台发动机全部装在机身内。空军对该方案提供了第一阶段的研究合同，定名为XB47，并同时向其他四家飞机公司提出了喷气轰炸机研究的要求。波音公司又另提出了几种布局，并进一步进行了风洞试验，但并没有找到能够充分发挥出喷气发动机效能的最佳设计。这时纳粹德国被击败。波音公司的工程师被允许去德国进行考察，并进入其飞机工厂及空气动力研究中心，探讨德国技术的重要进展以便用在美国的设计中。当时发现一个重要的内容，是后掠机翼在高速飞行中的性能收益。德国曾试验过大至45度的后掠角或前掠角的机翼，会使飞机飞行速度在接近音速时，明显地推迟激波的形成。这似乎正是XB47所需要的技术，于是一封紧急电报发往了波音公司在西雅图的总部，随后波音公司立即停止了对平直机翼的研究，转向后掠翼方案的研究。这样，便形成了“448号”方案，其机翼14弦线后掠角为35度。但发动机仍然全部装在机身内。当时，在战争剌激下航空技术的发展，涌现出了许多新的技术设想和方案。波音公司的设计人员从中独独挑出“后掠机翼”这一项，及时捕捉到了它的技术潜力，并由此而中断了已经进行多时的平直翼飞机计划，中途转轨换用了对原方案改动极大的后掠翼布局，应该说是具有相当敏锐的判断力的。他们迅速进行了新的风洞试验，证实了他们在德国发现的后掠机翼的效能。但是空军出于安全性和生存性的考虑，反对四台发动机装在机身内的布置，这样就导致了6台发动机外挂在机翼下的“450号”方案。美国空军在1945年10月批准了这个方案，5个月后，订货了两架原型机。方案被批准后两年，1947年11月，第一架XB47推出了西雅图波音公司工厂的总装厂房。当时造成的轰动，甚至超过了推出第一架大型轰炸机B29“空中堡垒”的时候。因为在XB47上汇聚了很多新的设计思想，使它具有了与常规飞机有很大不同的创新设计，是第一架使用后掠翼的大型飞机。并从此奠定了大型喷气飞机的布局特点。此后，B47至少有10种改型，共生产了2000余架。绵绵不绝的后来影响 B47的意义，还不仅仅限于该机型本身。因为B47的后掠翼布局，以后也被更大的B52喷气轰炸机所继承。波音公司更进一步又在B52的基础上成功发展了第一种喷气客机波音707，然后又从707放大而得到20世纪最大的客机波音747。虽然在这一系列飞机的每种型号上，都有各自独特的设计问题分别得到了不同的解决，但总体上看，上述发展的脉胳还是很清晰的。航空技术的发展，本身是一个有着继承性的渐变、但也包含有阶段性突变的过程。大型喷气飞机从平直机翼到后掠机翼的突变，虽出现在B47上，但发生在一封紧急电报的通知中。厚积然后可以薄发难以摆脱的传统1946年7月，波音公司得到一项远程重轰炸机（命名为XB52）的研究合同。当时波音公司正在研制自己的第一种后掠机翼的喷气轰炸机B47。设计师们正在蕴酿方案，但没有能摆脱传统技术思想的束缚，初期向空军提出的“462型”方案，是一种平直机翼的轰炸机，动力装置使用6台5500马力的莱特T35涡桨式发动机，这个方案的结果是飞机航程不足。波音又提出一个修改的设计，使用四台经改进的T35发动机（8900马力），空军接受了这个方案。与此同时，波音公司出资对具有同样飞行任务的另一种纯喷气轰炸机方案进行了研究，并使用了当时普惠公司正在研制的喷气发动机。1948年10月，波音公司派出了一个高层设计师组去莱特空军基地，与空军讨论涡桨式方案的最后细节。空军说，他们研究的结果认为涡桨式的方案不能完成指定的飞行任务，方案将被撤销。当时后掠翼的B47已经试飞，其性能使很多人惊讶，空军对后掠翼喷气式轰炸机印象深刻，因此对使用普惠J75喷气发动机的轰炸机很有兴趣，询问波音在这个方面是否能作些什么。波音公司的设计师们听到这个信息后，一方面对他们的涡桨方案被淘汰感到沮丧，另一方面对空军需要纯喷气的后掠式轰炸机大为兴奋。幸好他们事前已经自费对喷气式大型轰炸机作过预研，他们觉得为满足空军新的需要，可以一搏。周末突击加班加点以后几天内所发生的事情简直像小说里的故事一样。波音公司的高层设计师把空军提出新要求的文件，带回了他们居住的代顿旅店，以便进行详细研究。能够提出新飞机方案，要归功于波音公司事先对喷气重型轰炸机作过预研。厚积才能薄发，有了这样的基础，他们觉得可以在短时间内突击出一个新的飞机方案来。第二天是星期五，早晨他们便打电话给莱特基地的工程部军官，说下周 一波音公司就可以提出一个全新的方案。从星期五直到星期日，6名设计师连续紧张加班，他们使用记忆中的那些最新研究结果，以及他们带到代顿来的手提箱里装着的一些内部研究的补充资料，作出了一种装有8台喷气发动机、具有后掠机翼的重型轰炸机的初步设计，并整理出了说明文件。不仅如此，他们还用从当地一家航模爱好者商店买来的轻木，请一位工程师在旅店里当场削制出了这种飞机的外形模型。按预定的承诺时间，他们在周一将新设计的飞机资料模型和说明文件一并提交给了空军。两天多突击出的新机方案还带有一个飞机模型，不但给空军有关人员留下深刻的印象，而且也成为航空史上一段佳话。他们提出的新方案被批准进行更进一步细致的研究，方案名称仍然叫做XB52。仓促并不一定意味着草率 波音公司研究的新飞机方案初步设计成立，空军提出订货两架原型机。其中第一架于1951年11月推出了总装厂房。由于设计研究及风洞试验已经非常有力地说明飞机的性能将是很优越的，使得空军在首架试飞前一年多的1951年3月就给波音公司写了一封信，从此，波音公司便开始了B52的生产工艺装备制造。后来，B52共制造了744架，先后有8种主要改型，连续为美国空军服役了半个多世纪，在20世纪中成为美国战略空军的主力，并一直沿用到21世纪。这样一架大型的飞机，又取得了重大的使用成果，其方案却是一个周末突击出来的，成为航空史上一个有趣的轶事。这并不是飞机方案草率形成的例证，而是说明有丰富的技术积累之后，对于胸有成竹的设计人员，即便需要提出重大的设计方案，也并不是高不可攀的难事。 责任编辑：京勉 -全文完-