通俗精華：飛機結構三（優雅的木頭飛機），（美圖多多）軍事頭條網

2019-08-11 08:13:41 輕航之家

“蚊”式轟炸機——優雅的木頭飛機

時間來到1940年，當時飛機的設計思想幾乎無一例外是金屬材料半硬殼機身，當年11月，一種時速667公里、雙發上單翼的全木製戰鬥轟炸機首飛，這就是當時頗富盛名的英國“蚊”式飛機。蚊式轟炸機的主要結構均為木質，因此身輕如燕，不僅性能優良、速度快，而且價格低廉、節省原料，迅速成為一種頗具特色的傑出機型。納粹德國空軍元帥戈林在德國空軍部的一次講話中說：“英國人能夠得到比我們多得多的鋁材，卻發展了這樣一種優雅的木頭飛機，連英國的鋼琴廠都能大批製造，而且速度如此之快……”

“蚊式”（Mosquito）飛機採用一種少見的木質結構--“模壓膠合成型木結構”。1922年美國諾斯若普公司在S-1雙翼機上也採用這種結構。先用混凝土製造一個21英尺長的模具，然後將雲杉木薄片塗上乾酪膠後交替放置，蓋上模具的蓋子。此時，再向中間的橡膠氣囊中充入壓縮空氣，待乾酪膠固化後即形成一片木結構，將左右兩片木結構對合，就成為木質膠合結構的機身。1922年8月，這種結構獲得美國專利。由於生產成本低廉，S-1飛機被稱為“窮人的雙翼機”。

“蚊式”也是採用木製硬殼機身的，圖中機身兩側的物體是製造左右硬殼的木模

“蚊”式在此結構基礎上再進行改進，將木質膠合結構中間的木料改為一種輕質木材--巴爾沙木（Balsa，和中國的泡桐類似），木質結構重量進一步減少，強度有所增強。“蚊”式也成為最後一種生產型木製飛機。

He-178——世界第一架渦輪噴氣式飛機

亨克爾對26歲的歐海因說：從今天起，你被僱用了。我給你5萬馬克，你要在6個月內搞出一臺噴氣發動機來。1939年8月27日，德國飛機設計師亨克爾設計的He178單翼機裝有歐海因設計的世界首臺渦輪噴氣發動機HeS3B，在德國著名飛行員瓦西茨的駕駛下升空，這架He178採用硬殼式鋁機身，木質機翼，飛行速度達到每小時700千米。

從世界上第一架飛機誕生之日起，提高飛行速度、飛行高度和載重量就一直是人們研製新飛機所追逐的目標，但是到了20世紀30年代，飛機的速度一直徘徊在每小時700千米左右，這差不多是裝有活塞式發動機和螺旋槳的飛機的極限，用蘇聯著名飛機設計師雅科夫列夫的話說，已經到了“山窮水盡”的地步了。噴氣時代的來臨，使飛機的發展“柳暗花明”。噴氣時代的標誌，便是渦輪噴氣式發動機作為新型動力裝置的誕生。

渦輪噴氣發動機的原理是：空氣從飛機進氣道進入發動機，先經壓氣機壓縮後進入燃燒室與燃料混合燃燒；膨脹的燃氣進入渦輪並推動其旋轉，使與渦輪同軸的壓氣機工作；從渦輪流出的燃氣經尾噴管膨脹後向後高速噴出，從而產生巨大的反作用力推動飛機前進。

弗蘭克·惠特爾和他的離心式渦噴發動機設計

如此重大的航空發動機推進的變革，竟是德國人歐海因和英國人惠特爾在互不通信息的情況下，各自獨立並幾乎在同一時期完成的。這一點，恰恰證明了新技術出現的必然性。

無獨有偶，馮·奧海因的第一個設計也是離心式的

Me-262——航空史上第一種投入實戰的噴氣機

全世界第一架噴氣式戰鬥機是梅賽斯密特設計的Me 262，於1944年進入德國空軍服役。這種飛機的渦輪噴氣發動機裝在機翼上，時速超過926公里，大大超過了最快的螺旋槳飛機。

雙發、機翼發動機短艙的Me 262

Me 262是第一架後掠翼生產型戰鬥機，機翼後掠的目的是把超重的Jumo 004渦輪噴氣發動機的重心後移，巧合的是後掠翼降低了高速時的阻力，但在當時人們不理解其原理何在。為了減少風阻，Me 262的機翼很薄，雖然主起落架能放進翼根內，但機腹就得較寬以容納輪胎，飛機的剖面就像鯊魚一樣，上窄下寬。早期的Me 262原型機採用後三點式起落架，後來改為前三點式，機鼻有足夠的空間來容納輪子。

Me262服役一個月後格羅斯特飛機公司的“流星”（Meteor）戰鬥機也加入了英國皇家空軍的行列。美國第一架噴氣機是貝爾飛機公司的XP-59A，於1942年10月首飛，之後不久便被洛克希德P-80“流星”（Shooting Star）取代，P-80是美國第一種投入實戰的噴氣式戰鬥機。這幾種飛機都採用渦輪噴氣發動機，速度比螺旋槳飛機有了質的提升。

英國“流星”戰鬥機（上）和美國P-80“流星”戰鬥機（下）

F-86，米格-15——第一代戰鬥機的典型代表

早期的飛機一般都採用平直翼，但隨著飛行速度的提高，飛機會在高速俯衝時因解體而墜毀。後來，科學家們發現飛行速度接近音速時，飛機會遇到極大的激波阻力。這時，飛機要麼速度難以再提高，要麼承受不住巨大的衝擊力而粉身碎骨。為了克服和減小激波阻力，人們一改平直的機翼形狀，提出了後掠翼設計方案。後掠翼可以推遲激波的到來，減弱阻力強度。

飛機的飛行速度接近音速時，進一步提高速度所遇到的障礙就是音障。空氣是可以壓縮的。飛機在飛行過程中，不斷對空氣產生新的擾動，這些擾動引起的壓強變化會在飛機前方積累，從而導致空氣密度發生變化。密度增加的幅度在不同的飛行速度下是不同的。在0.3倍音速以下，它的增加約在5%左右，因此可忽略不計。當速度進一步提高以至於接近音速時，由於飛機對前方空氣擾動導致的壓強變化會層層積累，於是在飛機前面，空氣密度會急劇增大。而當飛機以音速飛行時，由於擾動的傳播與飛機運動速度相同，這樣每一個擾動相對飛機來說就不再向前傳播，而是依次疊加在飛機頭部，造成擾動波的集中，形成一個波面。這時飛機與前面的空氣驟然相遇，引起劇烈的碰撞，空氣遭到強烈的壓縮，密度急劇增大，彷彿一面緻密的空氣牆壁擋在飛機的面前。這就是所謂的激波。空氣在通過激波時，會產生一種特別的阻力，即激波阻力。飛行速度在音速附近時，激波阻力最大，它可能消耗發動機全部功率的3/4，這時再提高飛行速度就十分困難。當飛機超過音速時，這些阻力便會大大衰減。為了突破音障，人們採取了後掠翼、面積律等先進的氣動佈局；同時噴氣發動機的改進也獲得了更大的推力。1947年，美國的X-1火箭飛機首次實現了超音速飛行。20世紀50年代初，美國、前蘇聯、英國等研製出了實用超音速戰鬥機。

在1935年羅馬舉辦的一場高速空氣動力學研討會中，德國的布澤曼首先提出了後掠翼可降低風阻。1945年1月在NACA的蘭利實驗室，研究員瓊斯在對布澤曼理論毫無所悉的情況下，在設計導彈過程中提出了“亞音速後掠”的理論，經過幾個月的超音速風洞吹試，證實了此理論是正確的。

羅伯特·瓊斯經過研究證明了布澤曼理論的正確性

後掠翼可以大大降低波阻

第二次世界大戰快結束時，瓊斯向主管建議：以後高速飛機都應該採用後掠翼。戰後布澤曼攜帶豐富的後掠翼模型風洞數據來到美國，加入了蘭利實驗室團隊，而這也立即影響到全世界第一架後掠翼噴氣轟炸機——波音1947年推出的六發B-47“同溫層噴氣”，和北美公司F-86“佩刀”噴氣式戰鬥機的設計，B-47和F-86的機翼都是後掠35度。蘇聯則根據繳獲自德國人的資料，推出了後掠翼的米格-15，該機首飛於1947年12月，只比F-86慢了3個月。F-86和米格-15代表著第一代噴氣式戰鬥機的誕生。

後掠翼之父阿道夫·布澤曼，手持F-86模型

F-86是世界上第一架在俯衝時達到超音速的飛機，以及第一架可以攜帶空空導彈的戰機。飛機設計之初便制定了很高的速度指標，採用更薄的機翼和更“瘦”的高細長比的機身以求提升速度，但經過實物模型的風動測試還是達不到965公里的期望速度。

1945 年 5 月德國投降後，美國急切渴望獲得關於最新的德國噴氣式戰鬥機的信息，以及其他德國秘密戰時研究諸如噴氣推進，火箭發動機和彈道導彈上的成果。軍方從工業界和研究機構中挑選人員組成“尋寶隊”前往被佔德國領土研究繳獲的資料，並製成微縮照片運回美國。

儘管德國關於後掠翼的研究僅僅停留在理論上，當時沒有可以達到近音速的飛機。但是這些研究成果還是引起了絞盡腦汁想提高 XP-86（F86的驗證機）性能的北美工程師的注意。

在各國對噴氣式飛機還沒有具體概念的時候，德國航空工程師已用風洞測試過了人類所能設想的所有氣動外形，甚至包括一些奇形怪狀的佈局，德國人發現後掠翼在馬赫 0.9 時有極大的優勢。平直翼飛機在近音速時會受到壓縮效應的強烈衝擊，後掠翼延遲了激波的產生，並且在超音速時產生的激波強度比平直翼小得多，使得高速操控性較好，但德國人也指出後掠翼會導致令人不快的翼尖失速，且低速穩定性不好。

為了彌補後掠翼的低速缺陷，北美工程師在機翼前緣安裝了自動縫翼。縫翼完全自動控制，根據所受的氣動力打開或者關閉。當縫翼向前滑動打開時，可以加速流經機翼上表面的氣流速度，得以增加升力並減小失速速度，在高速時，縫翼自動關閉將阻力減到最小。

F86還首次採用了全增壓座艙和液壓作動的副翼和升降舵，機翼是雙層蒙皮結構，在機翼油箱外板與機翼蒙皮間填充了沿翼展方向的金屬瓦楞結構。此結構代替了傳統翼內油箱的翼肋和桁條結構，為機翼提供了足夠強度的同時又不佔用翼內油箱的容積。

北美公司的 F-86 佩刀毫無疑問是最偉大的戰鬥機之一，1949 年佩刀進入美國陸軍航空隊服役，並在朝鮮戰爭中獲得了相當的空中優勢。朝鮮戰爭結束後，佩刀進入盟國空軍服役，成許多西方國家的主要戰鬥機，並且在加拿大、日本、意大利和澳大利亞按許可證生產。佩刀同時也是一個長壽機種，最後一架服役中的 F-86 直到 1993 才退役（玻利維亞空軍），可能創造了作戰飛機的服役時間紀錄。

在朝鮮戰場上，F-86的空中對手是蘇聯的米格-15。米格-15是蘇聯第一種後掠翼噴氣式飛機，已初具現代戰鬥機雛形。

米格-15採用機頭進氣，機身上方為水泡形座艙，內置彈射座椅。飛行中氣流在機頭由進氣道內的隔板分為左右兩股。機翼位於機身中部靠前，後掠角35度，帶4枚翼刀，翼下可掛兩隻副油箱或炸彈。機翼穿透機身，與進氣道內的隔板共同作用，將進氣氣流分為四股。在機翼前緣內放有一定量的鉛，以降低機翼對扭曲剛性的要求。

米格-15三視圖

米格-15 一誕生，就遇上了朝鮮戰爭。剛上朝鮮戰場的米格-15 對美軍的 F-80、F-84 等平直翼噴氣戰鬥機佔有很大的速度優勢，對依然在服役的二戰水平的螺旋槳戰鬥機更是可怕。1950 年 11 月 8 日，四架 F-80 和 7 架米格-15 打上了遭遇戰，速度和火力佔優的米格-15 乾脆利落地搶佔高度，然後一個殷麥曼倒轉，從太陽的方向俯衝而下，打下了一架 F-80。這是歷史上第一次噴氣式戰鬥機之間的空戰，以米格-15 完勝告終。一時間，美國空軍被打得一籌莫展，一直到更先進的 F-86“佩刀”式戰鬥機加盟，才扭轉頹局。F-86 和米格-15 的優劣是世界上爭論了幾十年的話題，一般認為 F-86 的水平機動性較好，米格-15 的垂直機動性較好；米格-15 的加速較快，但容易進入不穩定區；F-86 的速度較快，液壓操縱也使飛機的實際機動性較好。

米格-15 和 F-86 這一對老冤家，現在時常在航展上同臺獻藝

在朝鮮戰爭中一炮打響的米格-15 可能是蘇聯歷史上最重要的戰鬥機了。儘管蘇聯戰鬥機在二戰中取得了不俗的戰績，但在西方眼裡，蘇聯依然只是一個二流國家，至少在先進的航空領域裡無法和高貴的西方相提並論。米格-15 在鴨綠江上空使美國空軍在橫掃歐洲後第一次遇到真正的挑戰，使西方第一次認識到蘇聯作為一個超級大國的地位。從此，米格從二戰前夕的一個小字輩一躍成為蘇聯的戰鬥機之王，米格的名字和最先進的蘇聯戰鬥機連在了一起，直到 90 年代蘇-27 異軍突起。

F-104，米格-21——第二代戰鬥機的代表

第一代超音速戰鬥機的性能仍然偏低，速度不夠，升限、加速性、爬升率不夠高，武器系統和機載設備相對簡單，因而作戰能力仍有很大不足。為此，50年代後期各國開始發展第二代超音速戰鬥機，強調所謂“高空高速”，在氣動設計上這一代已過渡到頭部尖銳、兩側進氣，在機翼方面，除了增加後掠翼的角度以外，還發展了後掠三角翼，為改善低速性能有的採用了可變後掠翼。這一代飛機也開始採用較薄的超音速翼型。這種翼型前緣尖銳、上下對稱，常見的有菱形翼型、六面形翼型、雙凸翼型。為了達到高空高速的目的，發動機的加力燃燒室成為戰鬥機的必要裝備，而另外一項關鍵性的突破是機身採用面積律的理論來設計。

第二代戰鬥機升限可達20000米以上，最大速度超過兩倍音速。個別的高空截擊機的升限高達30000米，速度超過3倍音速。代表機型包括美國洛克希德公司F-104“戰星”式、麥克唐納公司F-4“鬼怪”式、諾斯羅普公司F-5“自由戰士”；英國“閃電”式；法國的“幻影”Ⅲ和“幻影”F1；瑞典的薩伯-37；前蘇聯的米格-21、米格-23、米格-25和蘇-17。

1952年在NACA的研究備忘錄中，有一篇惠特科姆撰寫的《近音速時機翼/機身結合處零升力阻力特性研究》的文章，對突破音速有重大的影響。惠特科姆根據風洞測試的結果，證明了“面積律”可以降低超音速時的波阻。根據面積律，在飛機上機翼和機身相接合的位置機身的截面積應減小以適配機翼的截面積，對迎面而來的氣流而言，機翼加上機身的總面積必需維持不變，因此機身的外型變成所謂的“可口可樂瓶”的樣子。

康維爾公司的工程師根據該法則重新設計了1953年首飛但性能不佳的F-102“三角劍”戰鬥機，將平直的腰部內縮。帶有蜂腰的F-102A於1954年12月首飛，速度增加了20%，輕易地飛過音速，使得這架飛機能夠突破跨音速階段的阻力限制而擠身超音速飛機之列。“面積律”是噴氣機時代最重要的工程發展項目之一，直到今天幾乎所有的高亞音速或超音速飛機，多多少少都應用了這個法則。

理查德·惠特科姆

F-102A縮腰後大大提高了跨音速性能

1951 年 12 月，洛克希德的設計師凱利·約翰遜會見了不少 F-86“佩刀”的飛行員，聽取他們對未來戰鬥機的意見。出人意料的是，飛行員的回答驚人的一致——戰鬥機重量增大、複雜性增加的趨勢使得飛機越來越難以控制，最理想的飛機應該是比現役戰鬥機更輕、更廉價、速度更快、升限更高、爬升率更大、並具有良好機動性的飛機。由飛行員的回答不難看出米格-15 所造成的巨大沖擊，如果對米格-15 和 F-86 的性能有些瞭解，不難發現其中的微妙之處。兩種飛機性能本在伯仲之間，但米格-15 恰恰是在速度和垂直機動性方面超過了 F-86。實際上，這一衝擊影響極其深遠，幾乎整個世界的第二代超音速戰鬥機都被烙下了“高空高速”的印記。

為了追求高空高速性，洛克希德的F104機身修長，進氣道前有三維激波錐，機翼短小，機翼厚度很薄且前緣銳利，採用T形尾翼，這是第一架能持續飛行於兩倍音速的飛機，成為 60 年代和米格-21、幻影 III 齊名的世界三大標準戰鬥機之一，該機還是第一種曾經同時保持世界高度和速度紀錄的飛機。

因航程短、載彈量小該機並未成為美國空軍的主力戰鬥機。極端追求高速性能的代價就是F104的低速性能很差，由於機翼面積很小，翼載很高，犧牲了飛機的盤旋性能。如果遇到發動機空中熄火或飛機失速，別的飛機能滑翔著陸，而F-104則會馬上變成自由落體式。因為T形尾翼在大迎角失速狀態下效率極低，加上F-104的高翼載等，都將導致失速狀態下的F-104難以機動改出，因此，F104有“寡婦製造機”的別稱。

F-104的機翼前緣如此之薄以至於可以用來切菜

F-104 最重要的意義，不在於它的性能如何，事故率如何，而在於它是噴氣時代第一種“飛行員的戰鬥機”。從設計師凱利·約翰遜會見飛行員的記錄，我們可以發現，那些對尚在醞釀中的 F-104 的要求，其實和後來“戰機黑手黨”對 F-16 的要求並無二致。只是由於當時技術條件的限制，加上對未來空戰形式的判斷，使得 F-104 最終偏向了高空高速，併為此犧牲了盤旋性能。但毫無疑問，最初的 F-104A 就是按照飛行員理想的戰鬥機來設計的。但是，飛行員理想的戰鬥機，並不是軍方理想的戰鬥機。一種輕型的“純”空戰戰鬥機並不符合軍方“高效費比”的要求。

米格-21“魚窩”是前蘇聯米高揚設計局於20世紀50年代初期研製的一種單座單發超音速輕型戰鬥機，是一種設計緊湊、氣動外形良好的輕型單座戰鬥機。該機採用大後掠角切尖三角形機翼、全動後掠水平尾翼、細長機身、機頭進氣道、三維多激波系進氣錐設計,最大平飛速度超過2馬赫，實用升限超過18000米。