飞机百年评说

在世界名著《一千零一夜》中，有这样的故事：一个渔夫在海边捞上一只铜瓶。打开瓶的封口后，里面钻出一个比山还要高的巨人--他是被以色列国王所罗门大帝（Ｓｏｌｏｍａｎ，活动时期为公元前１０世纪中叶）囚禁的恶魔。聪明的渔夫用计谋制服了巨人，并利用他满足了自己的心愿。

一百年前，美国的莱特兄弟，在基蒂霍克海滩，也发现了"魔法铜瓶"。然而，从那里钻出的不是恶魔，而是升起了人类第一架有动力、可操纵的飞机--"飞行者"１号。一百年弹指一挥间，如今，飞机已从单薄的"飞行者"成长为真正的"飞行巨人"。人类借这一发明，实现了飞行的梦想，而且越飞越高、越飞越快、起飞越远……

下面介绍的是《飞机百年评说--飞机性能的演变与提高》一文的下部分。

任重道远

飞机的飞行距离纪录是飞机性能中提高最快的一个指标。１９０８年１２月３１日，由威尔伯·莱特（ＷｉｌｂｕｒＷｒｉｇｈｔ，１８６７－１９１２）在法国创造的飞机绝对飞行距离纪录是１２４．７公里。３０年后，１９３８年１１月５日至７日，英国皇家空军的３架维克斯"韦尔斯利"型轰炸机，从埃及的伊斯梅利亚起飞，飞行４８小时后，其中由霍根（Ｈｏｇａｎ）和库姆（Ｃｏｍｂｅ）分别驾驶的两架，降落于澳大利亚的达尔文，创造了７１５８．４英里（１１５２０．４公里）的飞行距离纪录（有的资料上是７１５７．７英里，即１１５１８．８８公里）。３０年间，飞机绝对距离纪录提高了约９０倍。

两次世界大战之间的航空"黄金时代"，飞行纪录不断刷新。１９２７年５月２０日至２１日，美国人林白（ＣｈａｒｌｅｓＡｕｇｕｓｔｕｓＬｉｎｄｂｅｒｇｈ，１９０２－１９７４）驾驶一架"圣路易斯精神"号飞机，从纽约横跨大西洋，降落于巴黎，创造了５８１０公里的直线飞行距离纪录。苏联从１９３１年开始研制专门用于创造飞行距离纪录的安特－２５ＲＤ型飞机。长距离飞行的飞机，要求有较高的升阻比。为此，安特－２５型飞机的机翼翼展长达３４米，展弦比高达１３．１，而且采用了相对厚度为１９．２％～１８．５％的厚翼。安特－２５的最大起飞重量为１１．５吨，空重只有３．７吨。结构轻就可以多装油料，它的燃油重量多达５．８８吨。此外，这种飞机还装有一台燃油消耗率较低的Ｍ－３４型发动机。１９３７年７月１２日至１４日，一架安特－２５型飞机由格罗莫夫（Ｍ．Ｇｒｏｍｏｖ）等３人驾驶，从莫斯科起飞，越过北极，降落在美国加州的圣哈辛托，创造了６３０６英里（１０１４８公里）的世界纪录。

目前，世界飞机绝对距离纪录的最高水平是４０２１２．１４公里。它是由美国人迪克·鲁坦（ＤｉｃｋＲｕｔａｎ，男）和珍娜·耶格尔（ＪｅａｎａＹｅａｇｅｒ，女）于１９８６年１２月１４日至２３日，驾驶一架全复合材料飞机"旅行者"号完成的。他们同时完成了中途不着陆、不空中加油的环球飞行。

飞机作为交通工具或运载工具，载重和航程是至关重要的技术指标。当今世界上最大的飞机是乌克兰的安－２２５型运输机。它总重６００吨，载重２５０吨，最大航程１５４００公里。航程是由飞机携带的燃油重量决定的。飞机的有效载荷和燃油重量统称为飞机的可变重量。既定的飞机要想增加载重就不得不缩短航程。如果能实现"空中加油"就可以有效地解决这一矛盾。英国的一家老牌幽默杂志《笨拙周报》（Ｐｕｎｃｈ）在１９０９年１０月一期刊登的漫画中，最早提出了"空中加油"的设想。

１９１８年，第一次世界大战中，美国海军后备队军官戈弗雷·卡伯特（ＧｏｄｆｒｅｙＣａｂｏｔ）建议飞机从舰船上向空中提取油料，为轰炸机补充燃油。这一建议因战争结束，而未被重视。１９２１年，由俄国逃往美国的海军军官亚历山大·塞维尔斯基（ＡｌｅｘａｎｄｅｒＰｒｏｋｏｆｉｅｆｆｄｅＳｅｖｅｒｓｋｙ，１８９４－１９７４）首次注册有关"空中加油"的专利。塞维尔斯基后来设计了著名的Ｐ－４７"雷电"型战斗机的前身Ｐ－３５型飞机。同一年（１９２１年），一位飞行杂技演员韦斯利·梅（ＷｅｓｌｅｙＭａｙ）背着５加仑汽油，在１０７０米空中，从一架林肯标准Ｊ－１型飞机爬上一架寇蒂斯ＪＮ－４型飞机，为其加油--尽管燃油大部分被螺旋桨滑流吹散空中，但这次勇敢的行为鼓励了空中加油的实施。

１９２３年美国陆军航空勤务队的一架ＤＨ－４Ｂ型飞机利用空中加油技术，创造了续航时间３７小时１５分的纪录。１９３３年，苏联首次使用ТБ－１型轰炸机为Ｐ－５型侦察机加油。１９３４年，英国试验成功为轰炸机进行空中加油。第二次世界大战后美国研究成功伸缩管式加油设备。

１９４９年１０月，装有这种设备的ＫＢ－２９Ｐ型加油机进行首次空中加油。第一种专门设计的空中加油机是美国波音公司在２０世纪５０年代中期生产的ＫＣ－１３５型四发喷气式飞机（波音７０７型客机的前身）。

１９８０年３月１２日至１４日，美国空军的２架Ｂ－５２Ｈ型轰炸机利用空中加油技术，在４２小时３０分时间内，创造了中途不着陆的最快环球飞行纪录。

１５１９年至１９２２年，麦哲伦（ＦｅｒｎａｏｄｅＭａｇａｌｈａｅｓ，１４８０－１５２１）率船队完成环球航行，历时３年之久。与其相比，飞机作为交通工具的特殊意义不言而喻。

追球流线型

１９０９年５月２０日，法国飞行员保罗·蒂桑迪耶（ＰａｕｌＴｉｓｓａｎｄｉｅｒ）驾驶莱特型双翼机，飞行速度达到５４．７７公里／小时。这是国际航空联合会（ＦＡ１）正式批准的每一个世界飞机绝对速度纪录。１９３９年４月２６日，德国飞行员弗里茨·文德尔（ＦｒｉｔｚＷｅｎｄｅｌ）机长驾驶梅塞施米特Ｍｅ．２０９型飞机创造的世界飞机绝对速度纪录是７５５．１３８公里／小时。３０年的时间内，飞机的飞行速度纪录提高了将近１４倍（年平均增长率约为４６％）。

对比上述两个时期内，飞机气动外形的差异，令人惊叹不已--双翼布局变为单翼布局；张臂式机翼取消了一切支柱和张线；起落架可以收放或加装了完善的整流罩；发动机的整流罩不仅降低了阻力，同时也改善了发动机的散热性能；翼、身连接处的整流带减小了干扰阻力；封闭式座舱代替了敞开式座舱；胶合板或全金属的飞机蒙皮有较小的磨擦阻力；更重要的是机身、机翼的切面形状高度流线型化。二维风洞中的吹风实验结果证明：有流线型切面的机翼的阻力比直径只有其最大厚度１／１０的钢丝的阻力还要小７％。

第一次和第二次世界大战之间，航空技术迅猛发展，史学家们称这一时期为航空的"黄金时代"。一位在摩托艇竞赛事故致残的法国富翁雅克·施奈德（ＪａｃｏｕｅｓＳｃｈｎｅｉｄｅｒ１８７９－１９２８），在１９１３年发起了"施奈德杯"水上飞机竞速飞行。按照约定，三次获胜的国家可以永久赢得奖杯。１９３１年９月１３日，英国人摘走桂冠时，施奈德已去世３年，没能见到这一竞赛取得的成果。英国的设计师雷金纳德·Ｊ·米切尔（ＲｅｇｉｎａｌｄＪｏｓｅｐｈＭｉｔｃｈｅｌｌ，１８９５－１９３７）设计的休帕马林Ｓ．６Ｂ型水上竞速飞机，在该次竞赛中，由Ｊ．Ｎ．布思曼（ＪｏｈｎＮｅｌｓｏｎＢｏｏｔｈｍａｎ，１９０１－１９５７）驾驶，在绕圈飞行中，平均速度达到５４７．２９公里／小时；由Ｇ．Ｈ．斯坦福思（Ｇ．Ｈ．Ｓｔａｉｎｆｏｒｔｈ）驾驶，在直线飞行中，速度达到６１０公里／小时，而得冠军。同年９月２６日，斯坦福思又创造了６５４．９公里／小时的世界飞机绝对速度纪录。在整个"施奈德杯"竞赛活动中，共有１２名飞行员为此捐躯（英国３名、美国２名、意大利７名）。

米切尔还设计了第二次世界大战中著名的"喷火"型战斗机。"喷火"飞机继承了Ｓ．６Ｂ的外形特征--像海豚一样流线型的机身，配合诱导阻力较小的椭圆形机翼。模仿它的设计，成为了第二次世界大战中战斗机设计的时尚。

世界性的飞行竞赛集会，成为了对飞机和发动机设计进行严格检验的场合。它使飞机的外形变得非常洗练；它促进了钢管加层板蒙皮的飞机结构的发展；它也造就了像杜立特（ＪａｍｅｓＨａｒｏｌｄＤｏｏｌｉｔｔｌｅ，１８９６－１９９３）那样的传奇飞行员。１９３２年，杜立特驾驶"黄蜂"（吉比）"超级运动家"Ｒ－１型竞速飞机，以平均４０５．５公里／小时的速度夺得汤普森奖杯。这种短粗的竞速飞机给人们留下深刻的印象。它安装有星形气冷式发动机，采用下单翼布局，起落架装于机翼下方--这正是现代活塞式战斗机和运输机的典型模式。

在航空的"黄金时代"，飞机的速度纪录日新月异。然而，在第二次世界大战末期，先进的活塞式战斗机的飞行速度停留在大约７００公里／小时的水平上，很难再有提高。

把声音抛在后面

美国北美公司研制的Ｐ－５１"野马"型战斗机，在第二次世界大战中被称为外形最洗练的飞机，而且采用了当时最先进的层流翼型。风洞试验发现，当它的飞行速度超过Ｍ０．６６时，其阻力系数急剧增加，Ｍ０．７９时的阻力系数已增加到０．６６时的４倍。此时，飞机螺旋桨的合成速度早已达到音速，产生了激波阻力，无法提供更大的拉力。活塞式发动机配合螺旋桨的动力装置在提高飞机速度方面已无能为力。

１９３７年４月１２日，英国人弗兰克·惠特尔（ＦｒａｎｋＷｈｉｔｔｌｅ，１９０７－）发明的涡轮喷气式发动机诞生。１９３９年８月２７日，德国装有喷气式发动机的Ｈｅ．１７８型研究机首次试飞。新的航空动力装置为提高飞机的飞行速度开辟了广阔的前景。

从第二次世界大战末期开始，试飞员们试图使飞机的速度达到音速时遇到了很大的困难，许多人为此丧生。１９４６年９月２７日，英国著名飞机设计师杰弗里·德·哈维兰（ＧｅｏｆｆｒｅｙｄｅＨａｖｉｌｌａｎｄ，１８８２－１９６５）的大儿子，小杰弗里（Ｇｅｏｆｆｒｅｙｊｕｎｉｏｒ）驾驶Ｄ．Ｈ．１０８型无尾喷气式飞机，试图在俯冲中达到音速时，飞机解体，坠入海中。

当飞机接近音速飞行时，空气被压缩，密度增加，给飞行带来巨大的阻力和造成操纵反常--如因飞机焦点后移而造成的自动俯冲。２０世纪３０年代末，英国的气动学家Ｗ．Ｆ．希尔顿（Ｗ．Ｆ．Ｈｉｌｔｏｎ）曾悲观地宣布："（音速）像一座屏障挡住了前进的方向"。

喷气推进装置和超音速空气动力学的发展，冲破了音速的"屏障"。１９４７年１０月１４日，美国的耶格尔（ＣｈａｒｌｅｓＥｌｗｏｏｄＹｅａｇｅｒ，１９２３－）上尉驾驶Ｘ－１型研究机，首次完成了超音速飞行。在１２８００米高空，飞行速度达到１０７８公里／小时，相当于Ｍ１．０１５。七年后，１９５４年８月３日，法国的"大鹰"型战斗机在平飞中超过音速，实现了欧洲人突破"音障"的愿望。２０世纪５０年代初到６０年代中期，各国研制的超音速战斗机相继出现，如美国的Ｆ－１０４、苏联的米格－２１、英国的"闪电"和法国的"幻影"系列等。它们大多采用后掠机翼（箭形翼）或三角翼，马赫数可达到Ｍ２．０～２．５。６０年代末，英、法研制成功"协和"式超音速客机（最大速度Ｍ２．２）；苏联研制了图－１４４型超音速客机（最大速度Ｍ２．３５）。

迄今，绝大多数喷气式战斗机是依靠发动机的加力工作状态实现平飞超音速飞行的。喷气发动机的加力方法很多，如增加主燃烧室的供油量；向压气机进口或燃烧室喷射容易汽化的液体；涡轮风扇发动机使用外涵管道燃烧室中喷油等方法。其中效果最好，用得最普遍的是复燃加力方法--让燃烧室排出的已燃气体进入涡轮后面的加力燃烧室，再次喷油进行补燃。这样做可以增加推力约４１％，但燃油消耗增大一倍以上，只能短时间使用。

不依靠加力工作状态，而能较持久地进行超音速飞行的飞机，目前只有美国的ＳＲ－７１型侦察机和Ｆ－２２型战斗机以及英、法联合研制的"协和"超音速客机。然而，新一代战斗机都将具有超音速巡航的能力。

飞得更慢

超音速飞行的愿望既已实现，人们又发现像鸟一样悠然地翔翔，才更值得羡慕。但是，高速飞行的飞机要想慢下来也不容易，一个简单的公式就可以说明其中的道理。飞机平飞时，它的重力（Ｇ）等于机翼的升力（Ｙ），即Ｇ＝Ｙ＝ＣＹ１／２ρＶ２Ｓ，其中ＣＹ为升力系数、ρ为空气密度、Ｖ为飞行速度、Ｓ为机翼面积。重量一定、发动机推力一定的飞机，要想飞得慢，就得增大机翼面积才能维持平飞。而机翼面积增大后，阻力随之增大，飞机也就无法适应高速飞行。既定的飞机，它的速度只能在随迎角变化的Ｃｙ的允许范围内变化。

高速飞机的起飞、着陆速度也相应地增大，因而使起、降滑跑距离增长。２０世纪５０年代，为了摆脱机场跑道的限制，曾出现过研制垂直／短距起降飞机的热潮。各种奇思妙想的方案被试验过了，最早获得成功的是１９６６年８月首次试飞的英国霍克·西德利研制的"鹞"垂直起降攻击机。它的原理是，利用喷气发动机可以转动的喷管，改变推力的方向，在起降过程中代替机翼提供升力。

１９８９年３月１９日，美国研制的Ｖ－２２"鱼鹰"型垂直起降飞机首飞成功。它的原理是，在机翼两端各装一具可以偏转的大直径螺旋桨--当螺旋桨盘面转向前方时，可以拉着飞机前进；当盘面向上时，可以像直升机的旋翼一样拉着飞机上升。

１９７５年，前苏联雅克福列夫设计局开始研制可以作超音速飞行（Ｍ１．７）的垂直起降战斗机雅克－１４１。该型飞机的前机身内装有２台升力发动机，后机身内装有１台尾喷管可以转向下方的巡航推力发动机。垂直起降时，依靠前方升力发动机产生的升力和推力发动机尾喷管下偏产生的推力矢量来平衡飞机的重力。美国洛克希德·马丁公司正在研制的Ｆ－３５联合打击战斗机（ＪＳＦ）吸取了雅克－１４１的成功经验，可能发展成为新一代的短距起飞／垂直降落的超音速飞机。

解决飞机高低速飞行之间矛盾的一项折衷措施是采用可变后掠翼技术。通过结构设计，保证飞机的机翼后掠角是可以改变的：当高速飞行时，机翼向后偏转，变成大后掠角、小展弦比机翼，有利于减小激波阻力；当低速飞行时，机翼伸张，变成比较平直的大展弦比机翼，有利于提高升力系数和升阻比。

可变后掠翼技术虽然增加了结构重量，但切实可行，在战斗机和轰炸机中不乏成功的范例。俄罗斯在１９８８年投入使用的图－１６０"海盗旗"型轰炸机是目前世界上外部尺寸最大的可变后掠翼轰炸机。它的翼展（伸张时）为５５．７米，机长５４米，最大飞行速度Ｍ１．８８。

可以预料，各种可变几何外形和机翼剖面形状的飞机设计不久都将成为现实。

２０世纪６０年代末到７０年代末出现的高机动性战斗机，广泛地利用涡升力（如边条翼和鸭翼的有利干扰），使飞机的失速迎角和可用升力系数成倍地增加，飞机的低速特性大大地改善。这一代飞机，如美国的Ｆ－１６、Ｆ／Ａ－１８和俄罗斯的米格－２９、苏－２７等。它们与同吨位的老一代战斗机相比，爬升率提高约一倍；盘旋半径缩小约一半；盘旋角速度增加２～３倍；起降滑跑距离缩短约一半。这种先进的飞机气动外形，配合电传操纵系统再加上大推重比的动力装置或采用推力矢量控制技术，赋予飞机极出色的机动能力。１９８９年６月，在第３８届巴黎国际航空航天博览会上，俄罗斯飞行员维克托·普加乔夫（ＶｉｅｔｏｒＰｕｇａｃｈｅｖ）驾驶苏－２７型战斗机所做的"普加乔夫眼镜蛇"机动动作，充分显示了现代飞机的超机动特性。飞机在超过１１０～１２０度迎角时，居然没有失速，而且还可以操纵恢复正常飞行状态。

不过，这时人们还没有意识到：１００年前，人类以鸟为师，发明了飞机，而今却又在悄悄地学习昆虫的飞行技艺。地球上的昆虫比鸟类有更久远的飞行历史。它们靠高频率（每秒几十次至上百次）地振动翅翼，激发涡升力，来完成各种难以想象的飞行杂技。

当人们深入探索低速飞行的奥秘时，已经闯入了昆虫生活的低雷诺数王国。事实上，许多国家（包括我国）都正在研制形形色色的机械昆虫。一旦人们掌握了主动控制脱体涡流的技术，人们就可以开辟崭新的飞行领域。

穿过"热障"

喷气式飞机创造的第一个世界绝对速度纪录是９７５．６７公里／小时（１９４５年１１月７日，使用英国"流星"Ｆ４型战斗机）。在其２０年后，１９６５年５月１日，美国的ＹＦ－１２Ａ（ＳＲ－７１的原型机）创造了３３３１．５１公里／小时的世界绝对速度纪录。１９７６年７月２８日，ＳＲ－７１Ａ型侦察机又创造了３５２９．５６公里／小时的速度纪录。恰好在首次突破"音障"的２０周年之际，美国的Ｘ－１５火箭动力研究机在１９６７年１０月３日的试验中，在３１１２０米飞行高度上，达到了Ｍ６．７２。这是目前世界上飞机的最高速度纪录。

马赫数超过５的飞行被称为高超音速飞行。高超音速飞行遇到的难关是"热障"。在同温层（１１０００米以上）高度上，以Ｍ６的速度飞行时，飞机头部与空气磨擦加热，温度可达１３６２摄氏度。航天飞行器以Ｍ１０的速度重返大气层时，其头部的温度可以达到２０００～３０００摄氏度。目前使用的极限温度较高的材料中，氮化硅陶瓷有极高有耐温性，其强度可以维持到１２００摄氏度而不下降。美国和俄罗斯的航天飞机上都使用陶瓷隔热瓦做保护层。２００３年２月１日，美国"哥伦比亚"号航天飞机失事的原因，就有人猜测可能是由于隔热陶瓷瓦受损所致。

研制高超音速客机和"空天飞机"（能在外太空与大气层中自由飞行，并能在地面水平起降的飞行器）已成为高超音速飞行领域的现实课题。美国《航空与空间技术周刊》报道：美国能源部国家实验室已经完成一种Ｍ１０的飞机设计，它能在２小时内从美国飞到地球上的任何地方。２００２年５月３０日，中国科学院第十一次院士大会的学术报告会上，庄逢甘院士宣布：我国有关部门已经投资对空天飞机进行概念性研空。

谈到这里，不禁使人想起俄罗斯"火箭之父"齐奥尔科夫斯基（ＫｏｎｓｔａｎｔｉｎＥｄｕａｒｄｏｖｉｔｃｈＴｓｉｏｌｋｏｖｓｋｙ，１８５７－１９３５）生前的名言："地球是人类的摇蓝，但人不能永远生活在摇蓝里。他们不断地向外探寻生存的空间：起初是小心翼翼地穿出大气层，然后就是征服整个太阳系"。纵观飞机的百年历史，可以发现，航空和航天两大领域正逐渐在融为一个整体。（全文完）

责任编辑：思空

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