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飞机结构一百年(上)

中国模拟飞行论坛2018-12-15 03:57:29

 近代人类在航空器上惊人的发展,起源于一百多年前莱特兄弟完成的人类首次动力飞行。人类历史上首先问世的飞机是架全木制、桥梁衍架式双机翼,谈不上有机身的简陋结构,随着两次世界大战的军事需求,以及20世纪30年代开始萌芽的民航事业的强烈需求下,今日的飞机已逐步演进成全金属、单悬臂式机翼、庞大机身的精密结构,与百年前天差地别。上世纪末由于隐身的需求,复合材料成为飞机结构材料的新宠,只是虽然有助于飞机性能的提升,但对结构设计的本质却影响甚微。

前言

  1903年12月17日,在美国北卡罗来纳州东北部的小鹰镇(Kitty Hawk, North Carolina),一架装着螺旋桨,比空气重的航空器“飞行者”(Flyer)飞离地面,在人为操纵下飞行了36.5米,完好无损地降落在不比起飞位置低的地面上,完成人类历史上首次的动力飞行。操控这次简短但深具历史意义飞行的是32岁的奥维尔•莱特(Orville Wright)。他和年长4岁的哥哥威尔伯•莱特(Wilbur Wright)以掷铜板的方式决定由奥维尔来飞,而威尔伯则在一旁观看。在俄亥俄州德顿市(Dayton, Ohio)以制造自行车为业的莱特兄弟,又轮流操纵了三次时间更久、距离更远的飞行,威尔伯在最后一次飞行中持续了59秒,距离259.7米。在接下来的第五次飞行中,飞机遭遇到强劲的阵风而向前翻覆,由于损伤严重再也无法飞行,但全新的航空时代就在当天正式开始。


首飞前莱特兄弟正在练习“飞行者”的操纵技术


奥维尔•莱特(左)和威尔伯•莱特(右)

  “飞行者”的设计基础来自之前莱特兄弟的一系列滑翔机,其中莱特兄弟的忘年好友沙努特(Octave Chanute)贡献最大。沙努特比莱特兄弟年长35岁,在43岁时才对航空发生兴趣,此后的余生就埋首于航空信息中,因此他对全世界的航空器发展了如指掌。沙努特是个优秀的土木工程师,他舍弃了当时试飞成功的鸟或蝙蝠的翅膀造型,在1896年以桥梁的衍架(truss)设计方式,成功制造出双翼滑翔机。莱特兄弟选择沙努特的衍架式双翼(biplane)构型,除了强度高之外,也因为升力面最大,而且通过拉绳改变双翼对角拉线张力卷起翼尖,能适度控制飞机,这是莱特兄弟飞机和当时其它飞机最大的不同,其它飞机虽然也能飞行,但只有“飞行者”可以操控。


奥克塔夫·沙努特


沙努特的衍架式双翼滑翔机

飞机结构一百年(上):“飞行者”结构

“飞行者”结构

  “飞行者”的结构很简单:两片外型完全相同的上下机翼由垂直支撑柱和对角线拉力钢线连接,翼展12.31米,弦长1.98米,莱特兄弟根据在自行车店里自制的风洞,确定了翼剖面形状和展弦比。机翼前后梁和垂直支撑柱是杉木制连续梁,上下机翼的前梁、垂直支撑柱、对角线拉力钢线三者构成了衍架结构,飞行员俯卧在下机翼的中央偏左位置。莱特兄弟设计制造了四缸水冷式,81.6千克重、12马力的汽油发动机,安装在下机翼正中央,发动机动力由链条和齿轮传送到两副反向旋转、直径2.44米、安装在机翼后方的推进式螺旋桨上,使“飞行者”能以每小时55.56公里的速度巡航。螺旋桨枢轴位于上下翼间,由独立钢管焊接而成的衍架固定在两翼的后梁上。螺旋桨叶的材料为杉木夹板,由莱特兄弟以手工自行弯制,外型也是根据洞测试结果而确定。

1903年“飞行者”号三面图

  “飞行者”的机翼很薄,每片机翼上大约有40根松木翼肋,都由蒸气加热整形以配合翼剖面的形状,并和前后梁搭接。翼肋前缘是一个平面,用钉子和胶水与前梁的后表面搭接,翼肋后缘则以轮胎线(tire cord)与后梁捆扎,机翼外表面用粗棉布包覆,再用钉地毯的扁头钉把布固定在翼肋上。粗棉布不但承受飞行负载,也承受结构的阻力和惯性力。


“飞行者”号的翼肋和机翼下表面蒙布

  “飞行者”的机头有两片小鸭翼来控制升降,机尾有个方向舵,配合机翼翼尖后缘向上或向下的扭转,可控制飞机的偏航和滚转。威尔伯观察到大型飞鸟遇到阵风干扰飞行时会稍微扭转翼尖来重新获得横向稳定性,莱特兄弟的“飞行者”就是利用了这种技巧。


“飞行者”号依靠上翼翼尖的扭转进行偏航和滚转控制

  在“飞行者”飞行成功后,莱特兄弟回到家中开始进行一系列的改进,以改善性能、操控和稳定性。1904年制造出的“飞行者二号”外观大小和“飞行者”大致相同,但换装了15马力的新发动机。莱特兄弟以这架飞机进行了大约80次的短时间飞行,练习动力飞行的控制及飞行动作。


“飞行者三号”现代复刻机

  1905年制造出来的“飞行者三号”时速64.82公里,是第一架真正的全动力飞机,其基本外型和前两架相同,也沿用“飞行者二号”的发动机,但机身较长控制面也较大。和前两架不同的是这是一架可完全操控的飞机,很容易侧倾、转弯、或做8字型的飞行动作。1911年莱特兄弟制造的军用“飞行者”B飞机把升降舵移到后机身,以铰链式副翼取代扭转机翼,并增加轮子供飞机起降,飞行员和一名乘客可以坐在机翼的前端,不用俯卧了。


军用“飞行者”B已经很完善了

  当时在美国和欧洲已经有许多人成功制造出飞行器,虽然外型千奇百怪,但双机翼构型被公认为世界设计标准,杉木成为标准结构材料,杉木夹板螺旋桨也随处可见。优质的杉木在早期供应充足,加工和修理都很容易,单位重量强度比铝好,因此没人考虑用铝。大家都以粗棉布覆盖在飞机外表,由于当时飞机的速度很慢,粗棉布承受气动力负载的情况良好,即使破裂也很容易修理。

飞机结构一百年(上):莱特兄弟之后的飞机结构

莱特兄弟之后的飞机结构

  1903年之后10年内出现的飞机大多模仿莱特兄弟的“飞行者”,衍架式双机翼和前置式升降舵,飞行员、发动机、油料、载荷……全部物品都装下翼的开放空间上。法国这时出现了新的结构设计概念,有单机翼(monoplane)设计的趋势,由路易·布莱里奥(Louis Bleriot)和雷蒙·索尼耶(Raymond Saulnier)设计的布莱里奥十一型(Bleriot Model XI)就是其中一个著名的例子。这架飞机首飞于1909年1月,最高速度每小时87.04公里,安装一具25马力、3汽缸、气冷式星型发动机,衍架式木质机身的左右两侧局部覆盖着粗棉布。


路易·布莱里奥(左)和雷蒙·索尼耶(右)


布莱里奥十一型现代复刻机

  这架飞机和“飞行者”有相同的薄机翼设计,机翼外表面覆盖粗棉布,上下翼面弯曲弧度很大,机翼前后梁的上下缘都被削薄,使翼肋的上下缘条能跨于翼梁上。由于翼梁强度不足以支撑飞行和降落时的负载,故需要外露式拉力钢线辅助。飞行时升力使翼梁向上弯,上半部拉线不受力,下半部的拉线受张力;降落时机翼的惯性力使机翼向下弯,上半部拉线受张力,下半部拉线不受力。拉线受力时,垂直于翼梁的分力会承担翼梁上的部分剪力负载,这和双翼机的垂直支柱作用一样,不过拉线上的张力有个沿着翼梁指向机身方向的分量,会对翼梁产生压迫的作用,当时颇受大家的关注。因为木头并不耐压,机翼两端被向内压挤下可能会使机翼屈曲(buckling)破坏。


布莱里奥十一型三面图,机翼由外露式拉力钢线辅助支撑

  “布莱里奥十一型”原本有着枢轴副翼(pivoting ailerons),但飞机的横向稳定性并不好。1908年8月在法国的勒芒(Le Mans)附近的赛马场,布莱里奥目睹威尔伯驾驶“飞行者A型”在一次促销展示飞行中,重复表演了令人激赏的操控侧弯,留下深刻印象,于是把“飞行者”的机翼扭转方式用在了他的飞机上,才使“布莱里奥十一型”有了真正的横向控制能力。由于布莱里奥对飞机操控性深具信心,因此在1909年6月25日一个大雨的早上,完成了人类首次动力飞行飞越英吉利海峡的壮举。“布莱里奥十一型”后来进入批生产,到第一次世界大战爆发时已生产多架,成为世界知名飞机之一。


布莱里奥的枢轴副翼,升降舵也采用这种形式


当布莱里奥在英吉利海峡对岸的多佛降落的时候,第一个迎接他的是当地一名警察

  同时期法国还出现了多种外型类似的单翼机,德国在1915年也有外形差不多的福克E-Ⅲ单翼机(Fokker E-Ⅲ),在大战末期还发展出更先进的内置拉线单翼机。英国因为考虑强度和耐用性,对单翼构型并不热衷,所以整个第一次世界大战期间,英国只在1917年出现一种单翼机——布里斯托M.1C(Bristol M.1C)。


福克E-Ⅲ单翼机


布里斯托M.1C现代复刻机

飞机结构一百年(上):一战期间飞机结构

一战期间飞机结构

  第一次世界大战期间最重要的两大结构创新是悬臂式机翼(cantilever wing)和硬壳式机身(monocoque fuselage)。不需要任何拉力钢线的机翼被称为悬臂式机翼,其基本架构仍是翼梁与翼肋,但单凭主翼梁的强度就足以支撑机翼的飞行负载。第一次世界大战时第一架实际生产的悬臂式机翼战斗机,是当时由荷兰飞机设计师福克(Anthony Fokker)为德国空军所制造的时速213公里的福克Dr-I三翼机,这架飞机由1912年进入福克公司担任首席设计师的普拉茨(Reinhold Platz)设计。1917年出厂的福克Dr-I木制机翼上没有会产生阻力的拉力钢线,三翼的翼尖由一根薄而流线、非结构的垂直支撑条贯穿,用来控制某些飞行状况下的飞机颤振,机翼的强度来自一根强壮的方型翼梁。由于普拉茨精通焊接,因此Dr-I的衍架式盒状机身就以焊接钢管取代了木条,但仍然保留交叉钢线。


悬臂式机翼的主翼梁的强度足以支撑飞行负载


安东尼·福克


福克Dr-I取消了机翼之间的拉力钢线


机身则是焊接钢管和交叉钢线结构

  由普拉茨设计并于1918年服役的福克D.VII双翼机,把Dr-I的无拉力钢线、盒状翼梁、高升力机翼、交叉钢线金属焊接机身更为发扬光大,这两架飞机的特征都是外覆帆布,有着盒状翼梁的悬臂式机翼。而同年出现的机身纤细D.VIII单翼机,则有着后来成为标准设计的厚翼根、外覆三合板的机翼。


莱因霍尔德·普拉茨


福克D.VII双翼机现代复刻机

飞机结构一百年(上):容克斯的全金属飞机

  早在福克飞机之前,就有人设计出厚实的悬臂式机翼和全金属飞机了。1910年一位德国热动力学教授容克斯(Hugo Junkers)对航空产生了狂热兴趣,首先设计了内置拉力钢线的金属悬臂式厚机翼,虽然没有真正生产,但容克斯把这个机翼应用到1915年设计制造的单翼机J.1上,比福克的设计要早。J.1是第一架成功的全金属飞机,相当笨重,飞行时速194公里,只能容纳一名飞行员,机身钢管结构外部覆盖薄铁片,因此被昵称为“锡驴子”,机翼安装在机身中间(中置式),翼根很厚,逐渐向翼尖收薄。


雨果·容克斯


荣克斯J.1单翼机

  容克斯曾想使用木材,但经过详细考虑之后,他认为只有金属材料才能实现设计理念。容克斯认为自然生长的树干和树枝只能提供大小、形状固定的木料;而金属所能提供的特性与尺寸几乎毫无限制,而且容易加工成形,可靠性和强度值可以正确掌握,又不受天候及大气的影响。

  虽然德国军方对容克斯的设计抱有怀疑和排斥态度,但容克斯深信飞机本来就应该以金属制造,并继续改进他的设计。他把机体外蒙皮由铁片改为当时德国刚发明的轻质铜铝合金,用在1917年全金属的J.4翼半双翼机(sesquiplane)上,铝质外蒙皮呈波纹形来增加强度,波纹方向由前往后以减少风阻,该机被德军选定为主要对地攻击机,同盟国对其几乎束手无策。到大战结束的1918年11月,全金属、铝质波纹外蒙皮、悬臂式单翼构型的J.9和J.10相继服役,这两型飞机的机翼都安装在机身底部(下置式),和以往把机翼安装在机身顶部(上置式)或中间有所不同,容克斯考虑一旦飞机失事坠毁,机翼可以吸收撞击的能量,有利于飞行员的安全。等可收放起落架出现后,下置式机翼可使用较短较轻的起落架,显示出这种设计的另一个优点。容克斯对飞机结构演进的影响是全面性的,他是第一架悬臂式机翼飞机、第一架全金属飞机、第一架下单翼飞机的设计者与制造者。


容克斯J.4翼半双翼机


J.4的波纹蒙皮


全金属下单翼波纹蒙皮的J.10

  第一次世界大战期间另一个重要的设计创新是硬壳式机身,mono来自希腊文,是“单一”的意思;coque来自法文,是“外壳”的意思,因此monocoque的意思是一片式外壳(就像蛋壳)。硬壳式结构有着薄而成弧状的外壳,不需内崁式加强条就能支撑外部负载,如果外壳和可分担负载的隔框或加强条搭接,则就称为半硬壳式(semi-monocoque)结构,这两种结构的主要承载部件都是那层应力蒙皮(stressed skin)。因此若依照严格的定义,现代飞机很难说是半硬壳式结构,因为机体蒙皮上有许多维护开口(cutout),所以绝大部分的气动力负载都由桁条和隔框承受,而不是蒙皮。


硬壳和半硬壳式机身的区别

  硬壳式机身实际上在一战爆发的前夕就已经出现了,当时已有人尝试在圆形的木制隔框上铺上几层很薄的三合板,但因为很费工,以这种施工方式做出来的飞机没几架,其中最著名的的是法国的“竞赛者”(Racer),这架快速且流线的单翼机的壳状机身是由上下两片压模成形的木质三合板接合而成,它在1912年创下时速超过185.2公里的纪录。硬壳式施工技术的突破是在1918年,当时在劳黑德飞机制造公司(Loughead Aircraft Manufacturing Company)任职的诺斯洛普(John K. .Northrop),和公司创办者阿伦和马尔科姆·劳黑德兄弟(Alan and Malcolm Loughead),以及公司的制造总监斯塔德曼(T. Stadlmam)共同获得了硬壳式机身制程的专利,将施工的时间大幅度缩短。专利编号为1,425,113,诺斯洛普是主要设计者。


外形优美的“竞赛者”现代复刻机


机身壳体的制造过程,在模具表面使用木条一层层铺设胶合成形


制造完成的上壳体


等待胶合的下壳体

  第一次世界大战末期的1918年,一些飞机结构的设计方式俨然已经标准化了,例如为了增加升力,机翼做得较厚,而且下翼面的弦线方向曲率较小,因此能使用较宽的翼梁以增加机翼的强度和刚性。还出现了简洁的无拉力钢线机翼,和以金属取代木材作为飞机主结构的时代趋势。不过一直到20世纪20年代初,当时在天空飞翔的飞机绝大多数还是有着外露式拉力钢线、装有副翼的强壮机翼、独立衍架式交叉钢线机身、以粗棉布覆盖外表面的木制双翼机。


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