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日志

飞机气动设计动态(军机版)-空战的早期形式

已有 1266 次阅读2015-12-1 16:09 |个人分类:教学相长|系统分类:科普| 动态

        人类的飞行梦想在远古时代就已经产生了,这一点可以从中国的《山海经》得到验证。《山海经》中曾经记录过一个奇肱国,其国民善做飞车,能乘风而行,这大概是我们中国人飞行梦想的最早记录。古希腊神话中也有伊卡洛斯父子把羽毛粘在身上飞到天空中的故事,可见飞行梦想是整个人类共同的梦想。


        现代飞机诞生在欧美,因此追溯航空发展史的时候往往就以欧美的航空史为主。在欧洲的航空发展史上,“重于空气的飞行器”是否能飞起来曾经是一个争论不休的话题。大家可能觉得很奇怪,难道欧洲人没看过鸟类这种重于空气的物种在天空飞行吗?当然看过,不过他们认为鸟类的翅膀上有上帝赋予的神力,因此鸟类可以飞翔并不能证明“重于空气的飞行器”可以在空中飞翔。但是,中国人并没有这样困惑,所以在奇肱国的传说后,还有鲁班制作木鸟飞行三日不下的故事,甚至在王莽时期还真有人成功制作出了飞车,可以离地数尺,飞行数百步。据说在明代的时候也有一个飞车爱好者成功制作出了飞车。至少,中国在古代就发明出了风筝、竹蜻蜓和孔明灯等飞行器,其中的孔明灯启迪了蒙哥尔菲兄弟发明了热气球,竹蜻蜓则引起了英国的乔治.凯利爵士(Sir George Cayley, 1773-1857)的巨大兴趣。乔治.凯利爵士改进了竹蜻蜓的设计,使它可以飞到30米的高度,并同时证明了“重于空气的飞行器”可以飞上天空。


        这里补充的一点是,中国的航空史常常被看作现代航空的史前史,原因就在于现代航空中的很多设计概念都可以在中国的历史中找到原型,有些航空器甚至直接受到中国古代航空器的启发才被发明出来。除了上面提到的几点外,三皇五帝中的舜从谷仓上手持两个斗笠成功降落地面的故事,是降落伞原理最早的文字记载。还有就是中国古代记录中的“飞车”实际上与现在的“飞机”是一个意思。除了中国以外,在南美也曾经出土了与现代飞机高度相似的飞机模型。当然这些是题外话就不多说了。


        凯利爵士除了用竹蜻蜓证明“重于空气的飞行器”可以起飞外,还用根据力的分解原理,将空气动力分解为升力和阻力两个分力。在凯利爵士以前,人们大多尝试象鸟类那样,用一副翅膀同时解决提供升力和克服阻力的问题。凯利爵士通过力的分解将提供升力与克服阻力两个任务分别交给两个部件完成,导致现代飞机设计中“将机翼用于提供升力,推进装置用于克服阻力”这一基本概念的形成。凯利爵士还发现带攻角的平板可以产生升力,因此他设计制作的飞行器主要包括两种,一种是基于竹蜻蜓原理、用旋翼产生升力的飞机,一种是基于平板产生升力原理的固定翼飞机。在他设计的飞行器上还安装了提供推力的动力装置,可惜由于当时还没有推重比足够高的发动机,所以凯利爵士还无法实现带动力的飞行。凯利爵士著有《论空中航行》一书。因凯利爵士在航空发展史上的巨大贡献,所以凯利爵士被认为是“现代航空之父”。


        凯利爵士之后另一位里程碑式的人物是德国的利林塔尔(Otto Lilienthal,1848-1896),利林塔尔在航空上的主要贡献在于对鸟类飞行的研究和在滑翔机上的实践。利林塔尔在研究鸟类飞行的基础上,模仿鸟类的翅膀设计制作了滑翔机,并拍摄了大量飞行试验的影像资料。其滑翔机的特点是在平面形状和结构上模仿鸟类翅膀,同时采用张线结构支撑整个机翼,甚至还设计了平尾和立尾。利林塔尔一般选择山坡地进行滑翔飞行,其飞行可以达到离地数米、飞行数百米的程度(很像中国古代传说中的“飞车”)。利林塔尔在飞机设计中大量使用旋臂机进行气动试验,在其后期已经开始研究带动力的飞行,并积极研制用于航空飞行的发动机。可惜的是在一次飞行中,利林塔尔驾驶的滑翔机失去控制坠毁在地面,并导致他的脊柱骨折而去世,其航空探险历程戛然而止。利林塔尔著有《作为航空基础的鸟类飞行》一书,他的工作直接启迪了后来的航空探索者。


        再接下来就是大名鼎鼎的莱特兄弟。莱特兄弟在1903年12月17日进行的有人驾驶的带动力飞行通常被看作航空时代的起点,有着划时代的意义。这里需要注意的是带动力的飞行在莱特兄弟之前就已经由另一位航空先驱兰利实现了。兰利设计的飞行器为串列式双翼机,在吊舱中加装了动力装置,并实现了无人驾驶的带动力飞行。随后美国海军给兰利一笔投资,希望他将其带动力的飞行器发展成为有人驾驶的带动力飞行器。兰利以原有的无人驾驶飞机方案设计了一个放大版的有人驾驶飞行器,并选择采用弹射起飞方式起飞。可惜的是在试飞的过程中,飞机尾部撞上一根栏杆导致机身折断而失败。这件事发生在1903年10月,也就是莱特兄弟成功试飞前两个月,虽然后人按照兰利的设计方案复制的飞机也试飞成功,证明兰利的设计是可行的,但“有人驾驶的带动力飞行”的桂冠还是落在了莱特兄弟的头上。


        这件事看上去似乎莱特兄弟只是比较幸运,但实际上莱特兄弟的成功是与他们的长期学习和研究分不开的。莱特兄弟均受过良好教育,做过印刷生意,担任过刊物编辑和出版商,最后在自行车热的浪潮下开始做自行车维修和制造生意,同时对飞机设计产生了浓厚的兴趣。莱特兄弟有位好朋友叫查诺特,此人曾经是利林塔尔的好友,到美国后又成为莱特兄弟的好友,并将利林塔尔的经验传递给了莱特兄弟。莱特兄弟还认真学习了凯利爵士的著作,并自行设计制作了用于机翼气动实验的风洞,为飞机设计打下了坚实的基础。


        这里需要插播的一条知识是气动试验方面的历史。十九世纪航空先驱们(包括凯利和利林塔尔)大多使用的都是旋臂机(swirling arm),这种机器最早由英国数学家本杰明.罗宾斯(1707-1751)发明,其原理是在一根水平横杆的一端安装试验模型,水平横杆则安装在一根竖直的转轴上,通过旋转运动在试验模型上产生相对稳定的气流,以此来进行实验。风洞则是由弗兰克.温汉姆在1871年发明的实验装置。旋臂机的主要缺点是在旋转过程中,模型周围的空气也随之旋转,使得模型周围气流速度不再是旋转的模型与静止空气之间的相对运动,同时模型在旋转过程中总是落在自身产生的尾迹中,造成实验气流的湍流度总是很高,使得测试数据的精度大受影响。另外,高速旋转的模型上也不容易安装测试装置,这些都是旋臂机的缺点。风洞则是在运动相对性原理下采用模型固定不动,气流相对运动的实验装置,它的优点就是规避了旋臂机的缺点,可以产生高品质的受控气流,但直到莱特兄弟之后,风洞才成为气动研究的主要工具。


        莱特兄弟在设计飞机前反复试验对比了多种机翼平面形状,还把螺旋桨固定在自行车上对螺旋桨性能进行了大量试验,其结构形式则采用了双层机翼,并用撑杆和张线加固,特别是翼尖可以变形弯曲以提供滚转力矩,使其成为可以完全控制的三维飞行器。这些都是最终导致莱特兄弟成功实现有人驾驶动力飞行的关键因素,更为重要的因素是在他们之前,查尔斯.曼利设计出了推重比可以满足飞行要求的活塞式发动机。在此之前,马克沁(马克沁机枪的发明者)等人也曾经试图设计出带动力飞行的飞机,但最终都由于他们采用的笨重的蒸汽发动机无法满足飞行所需的推重比而导致失败。总之,种种机缘聚合在一起才导致莱特兄弟成功地发明了第一架有人驾驶的、带动力的飞机。


        在莱特兄弟发明飞机后,航空业快速兴起并很快被军方看中。最早的航空业只是做做飞行表演和做一些短途运输。在墨西哥内战期间,飞机开始用作侦察工具。在一次侦察任务中,美国飞行员用向在空中遇到的敌方飞机开枪射击,被认为是世界上第一次空战。


        莱特兄弟的成功大大鼓舞了世界上所有的热爱飞行的人们,中国的航空先驱冯如也是在此期间成功设计并试飞了自己的飞机,但是由于当时中国的工业基础十分薄弱,虽然冯如、巴玉藻、王助等航空先驱先后回国,但中国的航空工业并没有立刻获得蓬勃发展。世界范围内的航空工业主要还是在当时的几个主要工业国得到了快速发展。


        在此期间一个比较重要的气动设计进展是飞机增升装置开始作为独立部件出现在飞机设计中。如前所属,莱特兄弟通过调整翼尖弯度给飞机提供一个滚转力矩。1910年时,柯蒂斯则在其设计的双翼机的两层机翼之间加装了一个独立的小机翼以达到同样的目的。这个小机翼就是最早的增升装置,在早期它的设计用途是提供滚转力矩,后来则在提供滚转力矩控制外还用于提供额外的升力,以满足不同任务条件下对升力的不同需求,这也是“增升装置(high lift device)”这个名称的由来。就现在的用途而言,增升装置主要包括襟翼和副翼两大类,同时还根据安装位置的不同,分为前缘增升装置和后缘增升装置。襟翼安装在靠近机身轴线的地方,主要用于在起降过程中提高升力的作用,副翼则安装在远离机身轴线的位置,既可以提供额外升力,也可以控制滚转力矩。增升装置在刚刚提出时是作为独立部件安装在飞机上,后来为了减小飞行中的气动阻力,则将其与机翼融合在一起,仅在使用时打开,不使用时则没有额外的气动阻力。增升装置出现后,包括开裂式襟翼、后退式襟翼、开缝襟翼等设计形式纷纷涌现,并在1930年代达到顶峰,成为飞机气动设计中的一项基本设计。


       在第一次世界大战期间,飞机已经得到普遍使用,其功能也很快从单纯的侦察转入对地面目标的轰炸和对敌方飞机的攻击。当时为了减轻飞机重量,飞机的制作材料主要采用比重和强度都比较低的竹木结构,所以当时飞机的主流设计型式就是用撑杆和张线连接的双翼机和三翼机——双翼机和三翼机可以在满足结构强度要求的同时,提供足够的机翼面积和升力。在此期间,随着活塞式发动机的不断完善,发动机动力不断提高,飞机速度也不断提高。为了降低气动阻力,飞机设计师将原来裸露在外面的框架结构用蒙皮包裹起来,同时飞行员也有了敞开式的座舱,而不必象莱特兄弟那样趴在机翼上操纵飞机了。


        在空战这个魔盒开启后,空战用的武器也迅速由飞行员佩戴的提升到机枪,对地轰炸也由扔手榴弹提升到扔迫击炮炮弹。一战时的飞机大多把发动机和螺旋桨安装在飞机头部,为了避免机枪子弹打到螺旋桨,就将机枪安装在座舱左右两侧的机翼上,但这给飞行员的瞄准带来很大麻烦。后来法国人罗兰加洛斯在螺旋桨上加装了一块钢板用于保护螺旋桨,然后把机枪直接安装在飞行员的前方,方便飞行员瞄准、射击,结果在空战中取得很好的效果,先后击落了敌方20多架飞机。在一次空战中,罗兰加洛斯被击中后飞机迫降在荷兰的土地上。荷兰的福克飞机公司发现了法国人的这个“秘诀”,然后他们在此基础上向前迈了一步,设计了一个机枪协调器,即在螺旋桨上安装一个凸轮用于控制机枪射击,使得机枪子弹在螺旋桨之间穿越而过,大大提高了机枪命中率。在机枪协调器被普遍用于福克生产的福克式双翼机和三翼机后,驾驶福克式飞机的同盟国取得了空中优势,造成当时有名的“福克式灾难”。其中一战期间最大的王牌飞行员“红男爵”里希特霍芬就是驾驶福克式飞机取得击落80架敌方飞机的优异战绩。


        一战期间的空战虽然还嫌幼稚,但空战理论已经初露端倪。杜黑在担任意大利航空营营长助理和营长期间,曾经多次向意大利陆军司令部提出利用空军对奥匈帝国军队的后方实施轰炸。在一战结束后,杜黑对于未来空战的构想逐渐成熟,并于1921年写成《制空权》一书,详细阐述了空军制胜的构思。后来的空战模式也大多采用其“利用歼击机夺取制空权,再利用战略轰炸机攻击敌方战略要点”的模式,对于后来的飞机设计,直至后来空军作为一个独立军种从陆军和海军中独立建军都起到了指明方向的作用。


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