飛機百年評說

1、飛機百年評說一一飛機性能的演變與提高齊賢德程昭武在世界名著一千零一夜中有這樣的故事：一個漁夫 在海邊撈上一只銅瓶。打開瓶的封口后，里面鉆出一個比山 還要高的巨人他是被以色列國王所羅門大帝（Soloman, 活動時期為公元前10世紀中葉）囚禁的惡魔。聰明的漁夫 用計謀制服了巨人，并利用他滿足了自己的心愿。一百年前，美國的萊特兄弟，在基蒂霍克海灘，也發(fā)現(xiàn) 了 “魔法銅瓶”。然而，從那里鉆出的不是惡魔，而是升起 了人類第一架有動力、可操縱的飛機一一“飛行者” 1號。 一百年彈指一揮間，如今，飛機已從單薄的“飛行者”成長 為真正的“飛行巨人”。人類借這一發(fā)明，實現(xiàn)了飛行的夢 想，而且越飛越高、越飛越快

2、、越飛越遠觸摸藍天氣球載人升空，早于飛機120年。1783年12月1日， 法國的物理學家雅克夏爾（Jacques Alexander Cesar Charles,17461823 ）乘氫氣球上升至3000米高度。氣溫和氣 壓的急劇變化，使他的肉體蒙受了巨大的痛苦，此后他再沒 有乘氣球升空。誰能想到，令人向往的天空，原來是一個嚴 酷的王國。1903年12月17日，“飛行者” 1號首次升空時，離開 地面的高度約36.5米（120英尺）。1909年8月29日，飛機的第一個正式世界飛行高度紀錄只有155米。是由英國飛行 員萊瑟姆(H.Latham)駕駛安托瓦內(nèi)特(Antoinette)飛機， 在法國的

3、蘭斯國際航空集會上創(chuàng)造的。第一次世界大戰(zhàn)前的 1913年12月28日，法國飛行員萊加格納克斯(G.Legagneux) 駕駛紐波爾(Nieuport)飛機，創(chuàng)造的世界飛行高度新紀錄是 6120 米。在第一次世界大戰(zhàn)期間(19141918)，一般的作戰(zhàn)飛機 的使用高度都在30004600米以下。只有少數(shù)例外，如英國 的索普威思7E-1 “鷸”型戰(zhàn)斗機，可以在7600米高度上巡 邏；德國的阿維亞蒂克C.伽型偵察機的升限可以達到9000 米。在4000米高度以下，駕駛者敞開式座艙的飛機，飛行 員經(jīng)受的第一道考驗是寒冷。因為每上升1000米高度，大 氣溫度就降低6.5攝氏度，即使是夏季，在4000米高

4、度上， 也象嚴冬一樣寒冷。所以在航空早期，飛行員的穿著總是象 南極人一樣，穿著厚實的皮衣，戴著皮帽。地球周圍的空氣有一半分布在5000米高度以下。在這 一高度以上飛行時，飛行員因缺氧和減壓可能導致昏迷甚至 死亡。因此飛行高度超過3000米時，飛機上要有供氧系統(tǒng)， 以保證飛行員的正常呼吸需要。高度超過7000米時，還要 有氣密座艙或穿代償服，為飛行人員提供必要的工作環(huán)境。 早期的飛行員代償服和潛水衣差不多，飛行員穿上后活動很不方便。第一次世界大戰(zhàn)后，軍用飛機的飛行高度大多在6000 米以下，只要為飛行員準備一套包括氧氣瓶和氧氣面罩的裝 備就夠了。但對于民航飛機來說，需要有密封增壓的機艙， 以保證

5、乘客的安全與舒適。采用氣密機艙意味著飛機尺寸和 重量的增加，以及隨之而來的運營成木的上漲。不過，高空旅行自有其誘人之處。高度平均11000米以 上，有一個平流層。那里沒有對流、雷雨、閃電等影響飛行 的危險天氣；它的底層（同溫層），溫度保持不變，刮著穩(wěn) 定的西風；由于空氣稀薄，飛機承受的阻力較小，真空速較 大。顯然，這是民航飛機理想的飛行環(huán)境。1937年，美國洛克西德公司按照美國陸軍航空隊的要 求，研制的XC-35型雙發(fā)同溫層試驗機首次試飛。這種飛機 采用密封增壓機艙，機身橫截而為圓形，機窗是非常小的矩 形。該機在試驗中，在6400米高度上，空速可以達到563 公里/小時。同年，英國肖特公司研制

6、了名為“同溫層客機” 的肖特14/38型四發(fā)高空客機試驗機。因第二次世界大戰(zhàn)爆 發(fā)而中斷研制。1939年至1940年，英國通用飛機公司研制 了 GAL41 “單梁”型全增壓機艙雙發(fā)試驗機。它的機艙增壓 任務是由安裝在機頭的一臺輔助發(fā)動機來完成的。1938年至1939年，美國波音公司在XC-35的經(jīng)驗基礎 上，研制成功世界上第一種采用全增壓機艙的波音307 “同 溫層客機”型四發(fā)高空客機的原型機。乘客在這樣的飛機上， 高空飛行時無須戴氧氣面罩；在4570米高度飛行時，機艙 內(nèi)保持相當于2440米高度上的大氣壓力；在6100米高度飛 行時，機艙內(nèi)壓力仍相當于3660米高度上的氣壓。美國環(huán) 球航空公

7、司和泛美航空公司都在航班上選用了這一型號的 飛機。1939年至1940年，意大利皮亞焦公司研制了 P. III型同 溫層試驗機。值得注意的是這種飛機的機艙沒有機窗。為了 承受機內(nèi)外的壓力差，密封增壓機艙的蒙皮必須加強，在受 力蒙皮上開窗口也要特別謹慎。那一時期，高空客機的機窗 一般都采用傳統(tǒng)的矩形。第二次世界大戰(zhàn)后，世界第一種噴 氣式客機一一英國的德哈維蘭“彗星”，它在空中解體的 一個重要原因就是因為采用了矩形機窗設計。其后的高速、 高空客機都采用了圓形或橢圓形的機窗。實現(xiàn)同溫層飛行的另一個必要條件是在活塞式發(fā)動機 上安裝增壓器。高空空氣稀薄，氣缸內(nèi)的空氣充填量降低， 發(fā)動機功率隨之減小。利用

8、曲軸帶動離心式增壓器或利用廢 氣驅(qū)動渦輪提高進氣密度，可以使發(fā)動機的高空特性大大改 善。上面提到的皮亞焦P. I型飛機就裝有帶有增壓器的1000 馬力的發(fā)動機。第二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機的世界飛行高度紀錄已達到17083米，是1938年11月22日，由意大利飛行員佩奇(M.Pezzi)駕駛卡普羅尼161比斯型飛機創(chuàng)造的。同溫層作戰(zhàn)第二次世界大戰(zhàn)初期，參戰(zhàn)的俯沖轟炸機、強擊機和驅(qū) 逐機(戰(zhàn)斗機)的作戰(zhàn)高度主要在中低空。美國較早重視戰(zhàn) 略轟炸機的研制，在戰(zhàn)前就提出了 “遠程試驗轟炸機”(Experimental Bomber Long Range)計劃。對于遠程戰(zhàn)略轟 炸機來說，同溫層底部是最安全的

9、飛行高度。因為高射炮的 有效射程大約為80009000米。1938年，按照美國陸軍航空 隊的要求，波音公司利用波音307 “同溫層客機”的技術(shù)成 果，對B-17型轟炸機進行密封增壓改裝，改型機代號為波 音334。由此發(fā)展成為著名的遠程戰(zhàn)略轟炸機B-29 “超級堡 壘”。B-29轟炸機采用了全密封增壓機艙，不過轟炸機并不需 要象旅客機那樣要對整個機身都進行密封增壓處理。只是前 方的駕駛艙和中機身是全增壓的，二者之間的機身彈艙之上 有一條聯(lián)絡通道，可供機組人員匍匐通過；尾部的密封艙是 獨立的，只有當解除密封增壓時，尾炮射擊員才能離開機尾 艙。B-29的升限可以達到9708米。美國在二戰(zhàn)中使用的 B

10、-24和B-17等型轟炸機的升限雖然也可以達到對流層的頂 部，但它們都沒有采取密封增壓措施。作高空飛行時，機組 成員只能帶上氧氣面罩。B-29飛機的炮塔設計也很特別，它 是世界上第一種通過遙控操縱進行射擊的。在二戰(zhàn)中，納粹德國也設計了性能很好的高空轟炸機， 如道尼爾Do.217P（升限15000米）、容克斯Ju.86P（升限12000 米）、Ju.287（升限 12000 米）和 Ju.388L （升限 13000 米）。但 它們實際上很少作為轟炸機投入使用。為了攔截高空轟炸機或為它們護航，戰(zhàn)斗機（當時叫驅(qū) 逐機）也要有很高的升限，如德國的梅塞施米特Bf.109戰(zhàn)斗 機，升限可以達到11734

11、米。英國對“噴火”和“蚊”式等 戰(zhàn)斗機也曾增設過密封增壓座艙。日木為了攔截對其木土進 行空襲的B-29型轟炸機，曾設計了采用鴨式布局的“震電” 型戰(zhàn)斗機。之所以采用鴨式布局的理由是，平尾前置后可以 產(chǎn)生正升力，使高空飛行時的配平升阻比增加，從而提高飛 機的升限。它的設計使用升限是12000米，但在戰(zhàn)爭結(jié)束前 只進行了無動力的滑翔試驗，并沒有派上用場。1944年7月28日，在德國上空，兩架拖著白色尾跡的 奇特飛機，從10000米以上的高空，以驚人的速度沖入美國 的B-17轟炸機機群，完全置護航的“野馬”型戰(zhàn)斗機于不 顧，使美軍飛行員目瞪口呆。同年8月5日，又是這種飛機 在柏林西南120公里處的1

12、1000米高度上，首次擊落美軍護 航的3架“野馬”戰(zhàn)斗機。這種神秘的飛行武器就是利皮施 （Alexander Martin Lippish,18941976）設計的 Me.163 “彗 星”火箭飛機。火箭飛機在飛行高度和速度上確有優(yōu)勢，但 續(xù)航時間只有8分鐘，最大航程只有80公里。獲得新的動力第二次世界大戰(zhàn)之后，飛機設計進入噴氣時代。渦輪噴 氣式動力裝置的應用，使飛機的飛行包線(高度和速度)迅 速擴展。1948年3月23日，由英國飛行員坎寧安(J.Cunningham )駕駛德哈維蘭D.H.100 “吸血鬼”1型 噴氣式戰(zhàn)斗機，創(chuàng)造了 18119米的飛機飛行絕對高度紀錄。 1959年12月14

13、日，美國飛行員喬丹(J.B.Jordan)，駕駛洛 克希德F-104C “戰(zhàn)斗明星”噴氣式戰(zhàn)斗機，又創(chuàng)造了 31513 米的世界飛機高度紀錄。它超過了 1957年8月14日由載人 氣球創(chuàng)造的30942米的紀錄，創(chuàng)造這一紀錄的人是美國的戴 維西蒙斯(David G Simons )少校。1977年8月31日，前 蘇聯(lián)試飛員費多托夫(A.Fedotov )駕駛米高揚設計局研制的 E-266M試驗原型機，上升到37650米的高度，超過了由美 國人馬爾科姆羅斯和維克托普拉瑟創(chuàng)造的載人氣球升高 到34660米的紀錄。最近，英國的探險家普瑞斯科特和埃爾森正計劃乘坐熱 氣球升空，希望能創(chuàng)造飛行高度為4023

14、0米的新的飛行紀錄。以上飛機的世界絕對高度(以海平面為起點計算)都是 由裝有噴氣式動力裝置的飛機所創(chuàng)造的。1963年8月22日， 美國裝有液體火箭動力裝置的X-15A型研究機，由沃克(J.A.Walker)駕駛，創(chuàng)造了高度為107960米的紀錄。偵察機的主要功能就是接近或深入敵方收集軍事情報， 而不是它的戰(zhàn)斗功能。它對付戰(zhàn)斗機（殲擊機）攻擊的最好 自衛(wèi)武器，就是飛得比它們更快、更高。20世紀60年代， 美國洛克希德公司研制成功飛行速度達到M3.0的SR-71型 偵察機，其實用升限（飛機上升率小于0.5米時的高度）為 24385米。前蘇聯(lián)在70年代研制了飛行速度更大的米格 -25RB型偵察機，其

15、實用升限可達27000米。一般的戰(zhàn)斗機 和高射武器都奈何不了它們，但地空導彈例外。在越南戰(zhàn)爭 中，美國的SR-71飛機就曾被擊落過。升限只有19507米的 RB-57型偵察機（美國通用動力公司根據(jù)英國生產(chǎn)的“堪培 拉”轟炸機改進而成）更是難逃地空導彈的追蹤。1959年 10月7日，1架國民黨空軍的RB-57D型高空偵察機，在北 京通縣上空被我人民解放軍地空導彈第二營擊落一一這是 世界防空作戰(zhàn)史上，在實戰(zhàn)中首次用地空導彈擊落飛機。一 般的地空導彈的飛行速度約為M3,垂直有效射程可達30000 米，常被人們稱為“雙3”飛行器。它是對付高空飛機的重 要武器。從飛機設計角度看，擴展飛機升限的途徑有三條

16、，即提 高飛機的升力系數(shù)與阻力系數(shù)之比（升阻比）；降低飛機的 機翼載荷；增加發(fā)動機的剩余功率。美國洛克西德公司研制，1956年投入使用的U-2高空偵 察機，就是按照上述三條原則設計的。U-2飛機實質(zhì)上是一 種帶有噴氣動力的滑翔機。它有象滑翔機一樣的大展弦比機 翼，翼展31.39米（U-2R）,故有很高的升阻比；機身是由 F-104型戰(zhàn)斗機的機身修改而成的，阻力很??；采用蜂窩結(jié) 構(gòu)的機翼，翼載只有14.6公斤/平方米，是常規(guī)噴氣式飛機 的1/3；它的空重是6.85噸，最大起飛重量是18.6；裝有1 臺推力為75.6千牛（7700公斤力）的J75-P-13B型渦噴發(fā)動 機。這種飛機由1人駕駛，實用

17、升限可達27432米。在目標 上空，它可以關閉發(fā)動機，像滑翔機一樣巡弋，續(xù)航時間可 達89小時，最大航程為10060公里。從1962年1月至1967年9月，國民黨空軍使用U-2R 型飛機共進入大陸進行偵察飛行110架次，被我導彈部隊擊 落5架后，停止活動。此前，在1960年5月1日，1架由美 國飛行員鮑爾斯（Francis Gary Powers）駕駛的U-2B型間諜 飛機，在蘇聯(lián)斯維爾德洛夫斯克上空，被地空導彈擊落。地空導彈和防空雷達的發(fā)展，使高空不再是入侵飛機的 庇護所。于是，在軍事部門內(nèi)出現(xiàn)了低空突防的戰(zhàn)術(shù)思想。 1956年11月，美國曾試飛成功低空超音速輕型轟炸機B-58， 并于195

18、9年12月裝備部隊，但因用途單一和造價昂貴，而 于1962年停產(chǎn)。1959年，英國開始研制從“貼著樹梢的高 度”上，以超音速突防的TSR.2型戰(zhàn)術(shù)攻擊/偵察機，也因為 技術(shù)復雜和費用太高而被迫放棄研制。事實上，我國南昌從 1958年開始研制的強5型強擊機，是世界上較早投入大批量 生產(chǎn)的，可以執(zhí)行低空大速度突防任務的超音速作戰(zhàn)飛機。與活塞式發(fā)動機相比，渦噴動力裝置有更優(yōu)越的高空特 性和速度特性。第二次大戰(zhàn)之后，帶有后掠機翼的噴氣式客 機迅速發(fā)展起來。1949年7月27日，英國的德哈維蘭“彗 星”噴氣式客機首飛成功。但在1953年5月2日至1954年 4月8日之間，“彗星”客機接連發(fā)生嚴重事故。1

19、架在印度 的加爾各答起飛時墜毀；另2架在地中海上空飛行時神秘地 失蹤，當時被稱為“彗星”之謎。與軍用飛機不同，高空旅客機為了使乘客舒適，整個機 身都要采取密封增壓措施。在高空稀薄的空氣中飛行時，內(nèi) 部增壓的客機猶如充氣的冷氣瓶?！板缧恰笨蜋C的機艙允許 壓差為每平方米5.76噸，比“星座”型活塞式高空客機大了 約一倍（2.94噸）。高度變化時，它的機身蒙皮因經(jīng)受壓力 變化而出現(xiàn)金屬疲勞現(xiàn)象，再加上機窗設計不合理，終于導 致空中解體的悲劇。1954年7月15日首次試飛的美國波音707型噴氣客機， 采用了新的設計標準，機艙允許壓差為6.01噸/平方米。當 它在6360米高度飛行時，機艙內(nèi)保持和海平而

20、相同的壓力； 即使在12190米高度上飛行，乘客的感受依然和2133米高 度上一樣。然而，不幸的事件仍有發(fā)生。1974年3月3日， 一架土耳其航空公司的麥道DC-10型噴氣式客機，因機門 設計不當失事，造成民航史上最大的人員傷亡?，F(xiàn)代裝有渦輪風扇動力裝置的巨型寬體客機，它們的升 限都有可能達到20000米以上，但考慮到民航運營成木，一 般只保持巡航高度在911410668米。如波音747型客機的 升限是20412米，但它的巡航高度是13600米，巡航速度為 957公里/小時。飛得更低正當飛機設計師和高空探險家們?yōu)橥卣癸w機的升限而 奮斗的時候，有些人卻在尋找使飛機飛得更低的途徑。還在飛機出現(xiàn)的初

21、期，飛行員們就發(fā)現(xiàn)：在貼近地面（或 水面飛行時，飛機下面好像帶著一個空氣墊子似的拖著飛 機，使飛機的性能有所改變。有經(jīng)驗的滑翔員在滑翔機降落 日測偏低（按當時滑翔機所處的高度，是無法滑翔到預定著 陸點的）時，他們索性加快降低高度，讓滑翔機貼近地面平 飄。這樣做，有時可以使日測低變成日測高（著陸點超前）。 這說明，滑翔機的滑翔比（等于升阻比）在貼近地面時會明 顯增加。實驗證明，飛行高度很低（小于兩倍翼弦長度）時，由 于機翼下面的氣流受阻，靜壓增大，因而飛機的升力提高； 又因為機翼的翼尖渦流受到地面阻擋，使下洗角減小，飛機 的誘導阻力也隨之降低。其結(jié)果是飛機的升阻比幾乎成倍地 提高。這種現(xiàn)象就是所

22、謂的地面效應。此外，地面效應還會 使飛機的俯仰力矩發(fā)生顯著的變化。一種交通工具的動力裝置的最大功率（馬力）和它木身 的總重量（噸）相比，所得比值稱為“比功率”。這一比值 越小，就說明這種交通工具越經(jīng)濟。水面航行的輪船和陸地 行駛的火車都要比空中飛行的飛機經(jīng)濟得多。如果設計一種 飛機，可以在貼近地面或水面的高度上飛行，利用地面效應 提高其升阻比，它的“比功率”就會大大降低。因為在平直 飛行時，飛機的升力等于重力，推力（或拉力）等于阻力。 飛機重量一定時，升阻比越大，需要動力裝置提供的推力（或 拉力）越小。利用地面效應的飛行器，與普通的飛機相比， 要經(jīng)濟；與船和火車相比，速度要快得多。1935年，

23、芬蘭人制造成功第一架地效飛行器。這種飛行 器被稱為沖翼艇（或“騰空艇”）。1937年至1940年，蘇聯(lián) 著名學者B M .列夫科夫開始研制排水量達15噸的氣墊船， 后因衛(wèi)國戰(zhàn)爭而中止。1955年，英國工程師K.考克雷發(fā)明 噴口型氣墊船。20世紀60年代，英、美和日木等國研制了 大量“全墊升”和“側(cè)壁式”氣墊飛行器。氣墊飛行器外形象船（故又稱氣墊船），無機翼，它是 利用動力裝置的能量，在機體與地面之間產(chǎn)生一層壓縮空氣 （氣墊）將其托起來運動的。而“沖翼艇”則有固定機翼， 外形跟飛機沒有什么區(qū)別，它在貼近地面（或水面）飛行時 其升阻比一般比飛機大。如果讓沖翼艇像普通飛機一樣離開地面或水面，騰空高

24、飛，不就成了兩棲飛行器。但當它們試圖遠離地面或水面時， 遇到的第一道難關，就是無法保持其俯仰平衡和縱向安定 性。地效飛行器一旦失去地面效應時，其機翼焦點（氣動中 心）立即前移，而使飛行器失去俯仰平衡。這是因為地面效 應使機翼后部產(chǎn)生的附加升力較多的緣故。1977年，聯(lián)邦德國的飛機設計師利用三角翼（或前掠翼） 氣動布局，解決了這一難題，研制成功總重1.5噸的X-114 型地效飛行器。1988年11月2日至5日，在中國上海舉行 的“國際高性能運載工具會議”上，我國介紹的“ 750”號 （1985年3月試飛）和“902 ”號（1984年11月12日試飛） 等地效機翼飛行器（WIG），采用了和聯(lián)邦德國

25、的X-114型 飛行器才相似的氣動布局。20世紀60年代末期，我國氣動工作者進行的“抬”式 飛機氣動布局研究中，提出了不同的利用地面效應的飛機方 案，如在鴨式布局的前翼上安裝螺旋槳動力裝置。起飛、著 陸時，利用前翼襟翼后緣下偏，使螺旋槳滑流注入后翼下方， 加強地面效應；飛機遠離地面后，前翼襟翼收上，滑流轉(zhuǎn)而 沖刷后翼上表面，產(chǎn)生附加升力，抑制全機焦點前移。按這 一原理設計的“抬”式布局無線電遙控飛機模型，在飛行中 表現(xiàn)出了優(yōu)異的短距起降性能。1967年，美國的偵察衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)蘇聯(lián)在里海水面上正在進 行試驗的大型地效機翼飛機。這種飛行器和我國的“抬”式 運輸機方案（701 ）有完全相同的氣動構(gòu)思。不

26、同之處，只 是，它利用前翼上的8臺噴氣發(fā)動機的噴流向后翼下方注入， 以加強地面效應；遠離地面時，前翼的噴流沖刷后翼上表面， 以抑制焦點前移。前蘇聯(lián)的這種飛行器代號是K M-8,美國人稱它為“里 海怪物”。它的全長為106米，翼展40米，總重540噸，可 以載運500名士兵，以400公里/小時的速度，在海面低空巡 邏，最大航程可達3000公里。它也可以象普通飛機一樣， 遠離地（水）表面在高空飛行，只不過這時候它的經(jīng)濟性會 變差。這種比B-52轟炸機更大，比波音747客機更重的飛行 器共制造了 8架，在1965年至1975年間進行試飛中，有2 架因天氣惡劣而失事。此后，前蘇聯(lián)還有一些較小的地效機

27、翼飛行器投入使用，只是巡航動力裝置改用了和我國的“抬” 式布局飛機方案一樣的渦輪螺旋槳。值得注意的是，美國正在借鑒前蘇聯(lián)這方面的經(jīng)驗，發(fā) 展各種軍事用途的地效機翼飛行器。據(jù)國外有的專家預測， 在第二次世界大戰(zhàn)前曾出現(xiàn)過的水上飛機的“黃金時代”將 會在21世紀重現(xiàn)。美國波音公司正在研制的“鵜鵬”型地 效飛機，翼展為152米，機長為110米。它的載重為1270 噸，是安-225巨型運輸機的5倍、波音747-400型客機的10 倍。它可以運載3000名全副武裝的士兵或17輛M-1型主戰(zhàn) 坦克。它在海面6米的高度上飛行時，航程為18500公里。與常規(guī)飛機相比，其燃油消耗率可節(jié)約35%。在陸上飛行時，

28、飛行高度可達6000米，航程為12000公里。任重道遠飛機的飛行距離紀錄是飛機性能中提高最快的一個指 標。1908年12月31日，由威爾伯萊特(Wilbur Wright,18671912 )在法國創(chuàng)造的飛機絕對飛行距離紀錄是 124.7公里。30年后，1938年11月5日至7日，英國皇家 空軍的3架維克斯“韋爾斯利”型轟炸機，從埃及的伊斯梅 利亞起飛，飛行48小時后，其中由霍根(Hogan )和庫姆(Combe) 分別駕駛的兩架，降落于澳大利亞的達爾文，創(chuàng)造了 7158.4 英里(11520.4公里)的飛行距離紀錄(有的資料上是7157.7 英里，即11518.88公里)。30年間，飛機絕對

29、距離紀錄提高 了約90倍。兩次世界大戰(zhàn)之間的航空“黃金時代”，飛行記錄不斷 刷新。1927年5月20日至21日，美國人林白(Charles Augustus Lindbergh,19021974 )駕駛一架圣路易斯精神” 號飛機，從紐約橫跨大西洋，降落于巴黎，創(chuàng)造了 5810公 里的直線飛行距離紀錄。蘇聯(lián)從1931年開始研制專門用于 創(chuàng)造飛行距離紀錄的安特一一25RD型飛機。長距離飛行的飛 機，要求有較高的升阻比。為此，安特-25型飛機的機翼翼 展長達34米，展弦比高達13.1，而且采用了相對厚度為19.2%18.5%的厚翼。安特-25的最大起飛重量為11.5噸， 空重只有3.7噸。結(jié)構(gòu)輕就可

30、以多裝油料，它的燃油重量多 達5.88噸。此外，這種飛機還裝有一臺燃油消耗率較低的 M-34型發(fā)動機。1937年7月12日至14日，一架安特-25型 飛機由格羅莫夫（M.Gromov）等3人駕駛，從莫斯科起飛， 越過北極，降落在美國加州的圣哈辛托，創(chuàng)造了 6306英里 （10148公里）的世界紀錄。目前，世界飛機絕對距離紀錄的最高水平是40212.14 公里。它是美國人迪克魯坦（Dick Rutan,男）和珍娜耶 格爾（Jeana Yeager,女）于1986年12月14日至23日， 駕駛一架全復合材料飛機“旅行者”號完成的。他們同時完 成了中途不著陸、不空中加油的環(huán)球飛行。飛機作為交通工具或

31、運載工具，載重和航程是至關重要 的技術(shù)指標。當今世界上最大的飛機是烏克蘭的安-225型運 輸機。它總重600噸，載重250噸，最大航程15400公里。 航程是由飛機攜帶的燃油重量決定的。飛機的有效載荷和燃 油重量統(tǒng)稱為飛機的可變重量。既定的飛機要想增加載重就 不得不縮短航程。如果能實現(xiàn)“空中加油”就可以有效地解 決這一矛盾。英國的一家老牌幽默雜志笨拙周報（Punch ） 在1909年10月一期刊登的漫畫中，最早提出了 “空中加油” 的設想。1918年，第一次世界大戰(zhàn)中，美國海軍后備隊軍官戈弗 雷卡伯特(Godfrey Cabot )建議飛機從艦船上向空中提 取油料，為轟炸機補充燃油。這一建議因

32、戰(zhàn)爭結(jié)束，而未被 重視。1921年，由俄國逃往美國的海軍軍官亞歷山大塞維 爾斯基(Alexander Prokofieff de Seversky,18941974 ) 首次注冊有關“空中加油”的專利。塞維爾斯基后來設計了 著名的P-47 “雷電”型戰(zhàn)斗機的前身P-35型飛機。同一年(1921年)，一位飛行雜技演員韋斯利梅(Wesley May ) 背著5加侖汽油，在1070米空中，從一架林肯標準J-1型 飛機爬上一架寇蒂斯JN-4型飛機，為其加油一一盡管燃油 大部分被螺旋槳滑流吹散空中，但這次勇敢的行為鼓勵了空 中加油的實施。1923年美國陸軍航空勤務隊的一架DH-4B型飛機利用空 中加油技

33、術(shù)，創(chuàng)造了續(xù)航時間37小時15分的紀錄。1933年， 蘇聯(lián)首次使用T B -1型轟炸機為P-5型偵察機加油。1934 年，英國試驗成功為轟炸機進行空中加油。第二次世界大戰(zhàn) 后美國研究成功伸縮管式加油設備。1949年10月，裝有這種設備的KB-29P型加油機進行首 次空中加油。第一種專門設計的空中加油機是美國波音公司 在20世紀50年代中期生產(chǎn)的KC-135型四發(fā)噴氣式飛機(波 音707型客機的前身)。1980年3月12日至14日，美國空軍的2架B-52H型轟炸機利用空中加油技術(shù)，在42小時30分時間內(nèi)，創(chuàng)造了中 途不著陸的最快環(huán)球飛行紀錄。1519年至1522年，麥哲倫(Fernao de M

34、agalhaes,1480-1521 )率船隊完成環(huán)球航行，歷時3年之 久。與其相比，飛機作為交通工具的特殊意義不言而喻。追求流線型1909年5月20日，法國飛行員保羅蒂桑迪耶(Paul Tissandier)駕駛?cè)R特型雙翼機，飛行速度達到54.77公里 /小時。這是國際航空聯(lián)合會(FAI)正式批準的第一個世界飛 機絕對速度紀錄。1939年4月26日，德國飛行員弗里茨文 德爾(Fritz Wendel )機長駕駛梅塞施米特Me.209型飛機 創(chuàng)造的世界飛機絕對速度紀錄是755.138公里/小時。30年 的時間內(nèi)，飛機的飛行速度紀錄提高了將近14倍(年平均 增長率約為46% )。對比上述兩個時期

35、內(nèi)，飛機氣動外形的差異，令人驚嘆 不已雙翼布局變?yōu)閱我聿季?；張臂式機翼取消了一切支 柱和張線；起落架可以收放或加裝了完善的整流罩；發(fā)動機 的整流罩不僅降低了阻力，同時也改善了發(fā)動機的散熱性 能；翼、身連接處的整流帶減少了干擾阻力；封閉式座艙代 替了敞開式座艙；膠合板或全金屬的飛機蒙皮有較小的摩擦 阻力；更重要的是機身、機翼的切而形狀高度流線型化。二 維風洞中的吹風實驗結(jié)果證明：有流線型切面的機翼的阻力 比直徑只有其最大厚度1/10的鋼絲的阻力還要小7%。第一次和第二次世界大戰(zhàn)之間，航空技術(shù)迅猛發(fā)展，史 學家們稱這一時期為航空的“黃金時代”。一位在摩托艇競 賽事故致殘的法國富翁雅克施奈德(Jac

36、oues Schneider 1879-1928)，在1913年發(fā)起了 “施奈德杯”水上飛機競速 飛行。按照約定，三次獲勝的國家可以永久贏得獎杯。1931 年9月13日，英國人摘走桂冠時，施奈德已去世3年，沒 能見到這一競賽取得的成果。英國的設計師雷金納德J 米 切爾(Reginald Joseph Mitchell,1895-1937)設計的休帕馬 林S.6B型水上競速飛機，在該次競賽中，由J.N.布思曼(John Nelson Boothman,1901T957 )駕駛，在繞圈飛行中，平均 速度達到547.29公里/小時；由G.H.斯坦福思(G.H.Stainforth )駕駛，在直線飛行

37、中，速度達到610公 里/小時，而得冠軍。同年9月26日，斯坦福思又創(chuàng)造了 654.9 公里/小時的世界飛機絕對速度紀錄。在整個“施奈德杯” 競賽活動中，共有12名飛行員為此捐軀(英國3名、美國2 名、意大利7名)。米切爾還設計了第二次世界大戰(zhàn)中著名的“噴火”型戰(zhàn) 斗機?！皣娀稹憋w機繼承了 S.6B的外形特征像海豚一樣 流線型的機身，配合誘導阻力較小的橢圓形機翼。模仿它的 設計，成為了第二次世界大戰(zhàn)中戰(zhàn)斗機設計的時尚。世界性的飛行競賽集會，成為了對飛機和發(fā)動機設計進 行嚴格檢驗的場合。它使飛機的外形變得非常洗練；它促進 了鋼管加層板蒙皮的飛機結(jié)構(gòu)的發(fā)展；它也造就了像杜立特 (James Har

38、old Doolittle,1896T993)那樣的傳奇飛行員。1932年，杜立特駕駛“黃蜂”(吉比)“超級運動家” R-1型 競速飛機，以平均405.5公里/小時的速度奪得湯普森獎杯。 這種短粗的競速飛機給人們留下深刻的印象。它安裝有星形 氣冷式發(fā)動機，采用下單翼布局，起落架裝于機翼下方 這正是現(xiàn)代活塞式戰(zhàn)斗機和運輸機的典型模式。在航空的“黃金時代”，飛機的速度紀錄日新月異。然 而，在第二次世界大戰(zhàn)末期，先進的活塞式戰(zhàn)斗機的飛行速 度停留在大約700公里/小時的水平上，很難再有提高。把聲音拋在后面美國北美公司研制的P-51 “野馬”型戰(zhàn)斗機，在第二次 世界大戰(zhàn)中被稱為外形最洗練的飛機，而且米

39、用了當時最先 進的層流翼型。風洞試驗發(fā)現(xiàn)，當它的飛行速度超過M0.66 時，其阻力系數(shù)急劇增加，M0.79時的阻力系數(shù)已增加到 M0.66時的4倍。此時，飛機螺旋槳的合成速度早已達到音 速，產(chǎn)生了激波阻力，無法提供更大的拉力?；钊桨l(fā)動機 配合螺旋槳的動力裝置在提高飛機速度方面已無能為力。1937年4月12日，英國人弗蘭克惠特爾(Frank Whittle 1907-)發(fā)明的渦輪噴氣式發(fā)動機誕生。1939年8月27日， 德國裝有噴氣式發(fā)動機的He.178型研究機首次試飛。新的 航空動力裝置為提高飛機的飛行速度開辟了廣闊的前景。從第二次世界大戰(zhàn)末期開始，試飛員們試圖使飛機的速 度達到音速時遇到了

40、很大的困難，許多人為此喪生。1946年 9月27日，英國著名飛機設計師杰弗里德哈維蘭(Geoffrey de Havilland,1882-1965)的大兒子，小杰弗里(Geoffrey junior)駕駛D.H.108型無尾噴氣式飛機，試圖在俯沖中達 到音速時，飛機解體，墜入海中。當飛機接近音速飛行時，空氣被壓縮，密度增加，給飛 行帶來巨大的阻力和造成操縱反常如因飛機焦點后移 而造成的自動俯沖。20世紀30年代末，英國的氣動學家W.F. 希爾頓(W.F.Hilton)曾悲觀地宣布：(音速)像一座屏障 擋住了前進的方向”。噴氣推進裝置和超音速空氣動力學的發(fā)展，沖破了音速 的“屏障”。1947年

41、10月14日，美國的耶格爾(Charles Elwood Yeager,1923-)上尉駕駛X-1型研究機，首次完成了超音 速飛行。在12800米高空，飛行速度達到1078公里/小時， 相當于M1.015。七年后，1954年8月3日，法國的“大鷹” 型戰(zhàn)斗機在平飛中超過音速，實現(xiàn)了歐洲人突破“音障”的 愿望。20世紀50年代初到60年代中期，各國研制的超音速 戰(zhàn)斗機相繼出現(xiàn)，如美國的F-104、蘇聯(lián)的米格-21、英國的 “閃電”和法國的“幻影”系列等。它們大多采用后掠機翼 (箭形翼)或三角翼，馬赫數(shù)可達到M2.02.5。60年代末， 英、法研制成功“協(xié)和”式超音速客機(最大速度M2.2)；蘇聯(lián)

42、研制了圖-144型超音速客機（最大速度M2.35 ）。迄今，絕大多數(shù)噴氣式戰(zhàn)斗機是依靠發(fā)動機的加力工作 狀態(tài)實現(xiàn)平飛超音速飛行的。噴氣發(fā)動機的加力方法很多， 如增加主燃燒室的供油量；向壓氣機進口或燃燒室噴射容易 汽化的液體；渦輪風扇發(fā)動機使用外涵管道燃燒室中噴油等 方法。其中效果最好，用得最普遍的是復燃加力方法一一讓 燃燒室排出的已燃氣體進入渦輪后面的加力燃燒室，再次噴 油進行補燃。這樣做可以增加推力約41%，但燃油消耗增大 一倍以上，只能短時間使用。不依靠加力工作狀態(tài)，而能較持久地進行超音速飛行的 飛機，目前只有美國的SR-71型偵察機和F-22型戰(zhàn)斗機以 及英、法聯(lián)合研制的“協(xié)和”超音速客

43、機。然而，新一代戰(zhàn) 斗機都將具有超音速巡航的能力。飛得更慢超音速飛行的愿望既已實現(xiàn)，人們又發(fā)現(xiàn)像鳥一樣悠然 地翱翔，才更值得羨慕。但是，高速飛行的飛機要想慢下來 也不容易，一個簡單的公式就可以說明其中的道理。飛機平 飛時，它的重力）等于機翼的升力（Y），即G=Y=Cy1/2p V2S，其中Cy為升力系數(shù)、p為空氣密度、V為飛行速度、S 為機翼面積。重量一定、發(fā)動機推力一定的飛機，要想飛得 慢，就得增加機翼面積才能維持平飛。而機翼面積增大后， 阻力隨之增大，飛機也就無法適應高速飛行。既定的飛機， 它的速度只能在隨迎角變化的CY的允許范圍內(nèi)變化。高速飛機的起飛、著陸速度也相應地增大，因而使起、 降

44、滑跑距離增長。20世紀50年代，為了擺脫機場跑道的限 制，曾出現(xiàn)過研制垂直/短距起降飛機的熱潮。各種奇思妙 想的方案被試驗過了，最早獲得成功的是1966年8月首次 試飛的英國霍克西德利研制的“鷂”垂直起降攻擊機。它 的原理是，利用噴氣發(fā)動機可以轉(zhuǎn)動的噴管，改變推力的方 向，在起降過程中代替機翼提供升力。1989年3月19日，美國研制的V-22 “魚鷹”型垂直起 降飛機首飛成功。它的原理是，在機翼兩端各裝一具可以偏 轉(zhuǎn)的大直徑螺旋槳一一當螺旋槳盤而轉(zhuǎn)向前方時，可以拉著 飛機前進；當盤面向上時，可以像直升機的旋翼一樣拉著飛 機上升。1975年，前蘇聯(lián)雅克福列夫設計局開始研制可以作超音 速飛行（M1

45、.7 ）的垂直起降戰(zhàn)斗機雅克-141。該型飛機的前 機身內(nèi)裝有2臺升力發(fā)動機，后機身內(nèi)裝有一臺尾噴管可以 轉(zhuǎn)向下方的巡航推力發(fā)動機。垂直起降時，依靠前方升力發(fā) 動機產(chǎn)生的升力和推力發(fā)動機尾噴管下偏產(chǎn)生的推力矢量 來平衡飛機的重力。美國洛克希德馬丁公司正在研制的 F-35聯(lián)合打擊戰(zhàn)斗機（JSF）吸取了雅克-141的成功經(jīng)驗， 可能發(fā)展成為新一代的短距起飛/垂直降落的超音速飛機。解決飛機高低速飛行之間矛盾的一項折衷措施是采用 可變后掠翼技術(shù)。通過結(jié)構(gòu)設計，保證飛機的機翼后掠角是 可以改變的：當高速飛行時，機翼向后偏轉(zhuǎn)，變成大后掠角、 小展弦比機翼，有利于減小激波阻力；當?shù)退亠w行時，機翼 伸張，變成比較平直的大展弦比機翼，有利于提高升力系數(shù) 和升阻比?？勺兒舐右砑夹g(shù)雖然增加了結(jié)構(gòu)重量，但切實可行，在 戰(zhàn)斗機中和轟炸機中不乏成功的范例。俄羅斯在1988年投 入使用的圖-160 “海盜旗”型轟炸機是目前世界上外部尺寸 最大的可變后掠翼轟炸機。它的翼展（伸張時）為55.7米， 機長54米，最大飛行速度M1.88?？梢灶A料，各種可變幾何外形和機翼剖面形狀的飛機設 計不久都將成為現(xiàn)實。20世紀60年代末到7