飞机结构（一），大师设计灵感（美图多多）

Posted 2022-12-28 机翼

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飞机结构（一），大师设计灵感（美图多多）

前言人类自远古以来就有飞天的梦想,关于飞行的许多探索和实验都是从模仿飞鸟的飞行开始的。中国古代出现的风筝是对飞行的早期探索，而中国古代的玩具「 ”竹蜻蜒”和意大利人达·芬奇的酷似现代直升机的画作，又满足了人们对于原地腾空而起的遐想。 1903年12月17日，航空业的先驱者——莱特兄弟，驾驶自行研制的固定翼飞机「 ”飞行者一号”实现了人类历史上首次重于空气的航空器持续且受控的动力飞行。从此，飞行器的发展一发不可收拾，从全木制、桥梁衍架式双机翼结构到今天全金属、悬臂式单机翼、庞大机身的精密结构，翼身融合体、超临界机翼、翼梢小翼，无数锦上添花的亮点装扮着越来越先进的飞机，我们重新梳理了飞机的结构发展，将分期介绍飞机结构的发展史，相信，我们会对飞机有一个新的认识。莱特兄弟与「 ”飞行者一号” 莱特兄弟早年经营他们的店铺时时常与印刷机、自行车、汽车和其他机械打交道，这为他们在机械方面的技术打下了坚实的基础，也影响了他们应对飞行问题时的解决思路。奥维尔•莱特（左）和威尔伯•莱特（右）莱特兄弟在平时就一直注意收集其他航空先驱的事迹和成果，他们认为困扰航空先驱们的飞行难题有三点，机翼、发动机，以及如何控制飞机，而且如何解决控制飞机的问题尤为困难和重要。「 ”飞行者”的设计基础来自之前莱特兄弟的一系列滑翔机，通过观察，他们认为鸟类是通过改变翅膀后端羽毛角度来控制飞行方向变化的，威尔伯在自行车店里玩包装纸盒时突发奇想的想出了「 ”翘曲机翼”技术。翘曲机翼的原理是当一侧的机翼翘曲和扭转的时候，它会得到更多的升力而升高，并让机身朝机翼较低的一侧转向。通过风筝和滑翔机试验，他们证实了翘曲机翼的可行性并发现了以往理论中空气压力系数的错误。在莱特兄弟的不懈努力下，三轴姿态控制一步步演化成形：用机翼翘曲控制侧倾，前置升降舵控制俯仰，尾舵控制偏航。飞行者一号的诞生 1903年，莱特兄弟选择用高强度的轻质木材云杉木来制造他们装备动力系统的「 ”飞行者一号”。他们在自行车店里自主设计和制作出了螺旋桨。通过不断的测试和分析，他们最终做出来的是二叶式螺旋桨，使用三层云杉木薄片压制而成。根据现代的风洞测试，他们的螺旋桨在当时首飞时就能够达到75%的效率。发动机同样也是问题，莱特兄弟致信多家发动机制造商寻求合作，但没有一家能提供符合他们重量要求的轻巧的发动机，于是他们找来自己店里的机械师查理-泰勒来打造发动机，六周后泰勒就把发动机造好了，为了减轻重量，发动机采用了铝铸缸体，这在当时非常罕见。这台原始的燃油喷射发动机没有配备化油器和燃油泵，油箱被安放在机翼梁柱上汽油依靠重力供给发动机。最终，莱特兄弟以1000美元左右的成本，制造出了一架翼展12米，重274公斤，配备12匹马力发动机的飞机，这就是「 ”飞行者一号”。创造历史莱特兄弟选择北卡罗来纳州的小鹰镇进行飞行测试。 1903年12月14日，兄弟二人通过掷硬币的方式来决定谁来驾驶试飞，结果威尔伯获胜，可由于气象条件不佳，飞机只飞行了3秒便坠地，还造成了一些轻微损伤。之后的几天莱特兄弟为受损的飞行者一号进行了检修。 1903年12月17日，在除莱特兄弟外5个人的见证下，铭刻历史的时刻终于来临，43公里每小时的刺骨寒风中，飞行者一号成功起飞，这次的驾驶员是奥维尔，他以10.9千米每小时的速度，飞行了12秒，飞行距离36.5米，最高飞行高度为3米。自此，人类真正开始了征服天空的征程。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「 ”飞行者一号”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。大家都以粗棉布覆蓋在飞机外表，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。莱特兄弟之后的多翼飞机在上期我们介绍了莱特兄弟的「 ”飞行者”双翼飞机，人们吸取桥梁建造方面的经验，把上下机翼通过支柱和张线联成一个桁架梁，增加结构受力刚度，以提高双翼机机翼强度，减轻结构重量，这些优点使双翼机成为早期飞机的主要型式。在莱特兄弟之后很长一段时间里，双翼机都是飞机的标准设计，在这期间，单翼机的概念虽有萌芽，但是出于强度和耐用性的考虑，双翼机甚至三翼机依然是设计飞机的主流思想。在一战的空中战场，就是多翼机角逐厮杀的阵地。悬臂式机翼的萌芽第一次世界大战期间的两大结构创新对后来的飞机设计产生了深远的影响，分别是悬臂式机翼（cantilever wing）和硬壳式机身（monocoque fuselage）。悬臂式机翼是指不用撑捍或张线加强的机翼。它无支撑物地独立架设在机身侧面，基本架构仍是翼梁与翼肋，单凭主翼梁的强度就足以支撑机翼的飞行负载。悬臂式机翼的主翼梁的强度足以支撑飞行负载一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福克Dr-I三翼机，该机由福克雇用的德国技工R·普拉茨主持设计。安东尼·福克 1917年出厂的福克Dr-I木制机翼上大胆摒弃了繁杂的张线结构，三翼的翼尖由一根薄而流线的垂直支撑条贯穿，用来控制某些飞行状况下飞机机翼的颤振，机翼的强度来自一根强壮的方型翼梁，大大减少了飞行阻力。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。机身则是焊接钢管和交叉钢线结构值得一提的是，这种战斗机同时又是第一次世界大战时期世界头号空战王牌、个人战果高达80架的里希霍芬的最后座机--「 ”红色男爵号”的同型机。由于翼展相对较窄的三层机翼飞机具有极佳的机动飞行性能，最适宜于与敌机进行近距离格斗，所以获得了许多艺高胆大的尖子飞行员的青睐。 Dr-I三翼机莱因霍尔德·普拉茨由普拉茨设计并于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。而同年出现的被英国人称为「 ”飞行剃刀”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。福克D.VII双翼机现代复刻机单翼机的尝试在飞机发展初期，发动机功率低、重量大，建造机体的材料大多是木材和蒙布。为解决升空问题，需要双翼机大面积的机翼，以便在低速条件下产生足够的升力。随着飞机速度的不断提高，双翼机支柱和张线的阻力越来越大，成为提高速度的主要障碍。高强度铝合金问世后，人们已有可能制造出结构重量不太大而又能承受大载荷的薄机翼。逐渐地，单翼机开始频频地出现在天空中。单从结构设计概念讲，单翼飞机几乎和双翼或者三翼飞机是一起发明的，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。路易·布莱里奥（左）和雷蒙·索尼耶（右）布莱里奥十一型这架飞机首飞于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蓋着粗棉布。布莱里奥十一型现代复刻机从图中可以看出，布莱里奥十一型采用薄翼型设计，机翼弯曲弧度很大，翼梁和翼肋构成框架后，外表覆以粗棉布。由于翼梁强度不足以支撑整架飞机的负载，机翼上下用细钢丝牵引加强，亦称「 ”张线”。这样，飞行时，机翼外侧向上弯曲，下表面的钢线受到张力，降落瞬间或机动飞行时，机翼外表面在惯性力作用下向下弯曲，上表面的钢线受到张力。从机身向机翼引出的钢线虽然能分担机翼受到的垂直于翼梁的剪力，但是同时也会产生沿翼梁轴向的挤压力，对于木头翼梁来说，这在当时颇受关注。布莱里奥十一型三视图据说，布莱里奥十一型原本采用了枢轴副翼（pivoting ailerons），但是飞机的横向稳定性并不好。在目睹了莱特兄弟「 ”飞行者”精彩的侧弯表演后，布莱里奥把「 ”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。原本尝试的枢轴副翼 1908年诺斯克里夫勋爵拿出1000英镑通过伦敦每日邮报悬赏第一个驾驶飞机成功飞越英吉利海峡的人，但是此后一年多并无人尝试。在经过数年飞机驾驶技术的磨练后，路易·布莱里奥向这个奖项发起挑战。 1909年7月25日凌晨4点15分布莱里奥比莱瑟姆早早地起床了，在作了一次半小时的短距离飞行后正式踏上飞越英吉利海峡的征程。此次历史性的飞行跨越35公里（22英里），历时37分钟。飞跃英吉利海峡有趣的是，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。同时期法国和德国还出现了多种外型类似的单翼机，德国的福克E-Ⅲ单翼机（Fokker E-Ⅲ）因安装了世界独创的「 ”射击协调器”而在战场上声名大噪，甚至引发了空战史上所谓的「 ”福克灾难”。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 PS：福克E-Ⅲ的「 ”射击协调器”的发明也有一段有趣的经历。1915年4月19日，法国飞行员罗加斯驾驶取名为「 ”莫拉纳--桑尼埃”的单座飞机在前线巡逻。据称，这是世界上第一架歼击机。在18天的巡航中，罗加斯先后击落 3架德国飞机，另使 2架德机迫降。此战绩使他荣获世界上第一个「 ”空中王牌”称号。以后，击落 5架飞机便被定为获得王牌飞行员的标准。罗加斯驾机出现，简直像死神一样，对德国飞行员构成了严重威胁。忽然有一天，罗加斯的飞机失事，其发动机产生爆炸，不得不滑翔到德军的防线后面着陆。罗加斯还没来得及把飞机烧毁，便已成了德军的俘虏。德军当局立即令福克检查了这架飞机，并让他在48小时内把一挺帕拉贝卢姆气冷式机枪安装在自己的飞机上，以便复演法国驾驶员的空战绝技。福克从来没有摆弄过机枪，更不要说射击的事。然而，就在规定的时限内，他和他的机械师们居然试制成了同步机枪，能够射过螺旋桨弧而不致击中叶片。这是他研究出了一个凸轮系统（射击断续器），容许武器只在螺旋桨不和机枪成一直线时射击。这样就诞生了有名的「 ”福克式”歼击机。这种射击断续器的结构本身十分简单：在机械联动装置的末端安装有一个凸轮，该凸轮恰好在桨叶转到枪口之前受到螺旋桨的撞击，使机枪停止击发，到桨叶通过枪口，凸轮回到原来的位置之后，机枪再继续射击。飞机安装了这样机枪，射击效率大大提高。它的问世使前射的枪弹第一次能够穿过前方螺旋桨的旋转面，使射击轴线能尽可能靠近机身中心线，从而大大提高了命中率。飞机设计师容克斯和他的全金属飞机第一次世界大战后期，虽然当时天空中飞翔的飞机绝大多数是以木质桁架与肋板构成机体框架结构，使用绳索加固并在外面覆蓋拉伸布质蒙皮的木制双翼机，但是简洁的无拉力钢线的悬臂式机翼，和以金属取代木材作为飞机材料逐渐成了时代趋势。无拉力钢线悬臂机翼是随着高强度材料轻质化和减阻要求发展的产物，全金属化则是一战期间各国共生产超过15万架的飞机，大部分使用木材制造，使得木料来源濒临枯竭，加之飞机设计师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，又不受气候及大气的影响，这样，金属开始进入飞机设计师的视野，逐渐代替木材成为飞机的主要材料。雨果•容克斯与福克同时期还有另一位思想先进的著名德国设计师雨果•容克斯。早在1910年他便设计了内置拉力钢线的金属悬臂式厚机翼，用在了1915年生产的J1样机上，J1成为第一架全金属结构设计的可实际飞行的飞机。 J1作为一种半单壳机身，使用钢制肋板与隔舱板构成桁架与蒙皮。由于当时铝仍然是一种相当昂贵的材料，而理想的新型轻质铝合金在薄板结构下工作时无法避免破坏性的脱落，因此J1使用硅钢板制造。由于钢制J1的大重量导致飞机的爬升与机动性很差，然而由于其干净的单翼结构，为其梅赛德斯D.II直列6缸发动机安装的散热器形成一个鼓出的机腹，从而使得飞机的阻力非常低，这使得J1成为当时世界上飞行速度最快的飞机之一，在一个功率仅为120马力的发动机驱动下，达到170 km/h。 J1单翼机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。他也第一个提出了波纹蒙皮的概念。当时，飞机的蒙皮刚刚尝试用薄铝板来替代传统的布料，容克斯博士设想用一种呈波纹状截面的薄铝板来代替普通的铝合金平板，旨在进一步增加它的强度。波纹蒙皮经试验表明，当波纹蒙皮上无数的细微凹槽顺飞行方向铺设时，在大幅提高机体表面强度之同时，相对飞行阻力最小。而当凹槽走向与飞行方向相互垂直时，虽然机翼蒙皮可以有效抑制因升力引起的沿翼展方向的机翼上跷变形，但由此产生的飞行阻力可能令人难以接受。所以，波纹蒙皮无论用在机身上还是用在机翼上，几乎都采用顺气流铺设的做法。波纹蒙皮其实有点象我们铺房顶用的那种瓦楞板，在某些方向抗变形能力很强，有较好的比强度，所以在当时的好些飞机型号上得到了成功应用。容克斯J.4翼半双翼机，采用波纹铝制蒙皮，作为对地攻击机，同盟国对其几乎束手无策到一战结束的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。支持轻航之家，点赞+分享+转发加轻航之家管理员微信（qinghangwang）（旋翼机、固定翼、直升机相关图纸、资料）