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从“飞行者一号”到“F22',飞机结构到底经历了什么?

2016-11-13  Moia藏经阁


一提到飞机,笔者首先想到的是中国明代万户飞天的故事。万户飞天是一个典故,讲述的是一个受封官职为万户,名为陶成道的中国明朝官员,为了实现自己的飞天梦,坐在绑了47支火箭的椅子上,手里拿着风筝,想飞到天上去,结果惨死的故事。从中我们可以得到两点,一是我们的祖先,一直到现在的我们,飞天梦从未停止;二是我们也可以看出其中拥有飞机的基本雏形,风筝如同机翼,火箭如同发动机。


万户飞天雕塑


到了20世纪,人类在科学技术方面的最重大的发明之一就是有了飞机。一百多年了,人类在航空器领域飞速发展。这其中,还有两次世界大战的激发,更是加速了飞机的发展。随着民航业的飞速发展,飞机在结构上发生了重大的改变。而现在,随着材料科学的兴起,飞机用材料也不再单一,铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维材料等。


纵观飞机发展一百多年,飞机的结构大约经历了以下六个阶段:

莱特兄弟“飞行者一号”


提起飞机,莱特兄弟被公认为飞机的发明者,并且是人类第一次持续的动力飞行。1903年12月17日,“飞行者一号”首飞成功,虽然仅仅是几十米的距离,但却是人类首次持续的动力飞行。人类航空的时代由此开启。


                       莱特兄弟                           

飞行者一号首飞


“飞行者一号”本身没有机身结构可言,位于机翼前方的鸭翼和机翼后方的垂尾表面都是由纵向的木条支撑着。飞机的结构也是没有遮蔽的骨架式结构,这就好比今天的飞机没有蒙皮。但飞行者一号是可以正常工作的。它采用了桁架式的双翼构型。桁架式如同建筑时的脚手架,双翼结构是为了增加升力,而且强度高,升力面积大。同时还可以通过拉绳改变双翼对角拉线张力卷起翼尖,从而能够适度的控制飞机。这感觉比现在的飞机还先进哈。其实这是副翼、襟翼的雏形。



飞行者一号


此后,莱特兄弟在“飞行者一号”的基础上继续改进,相继增加了机轮,用于飞机的滑跑;还增加了升降舵,用于控制飞机,以铰链式副翼取代了拉绳控制机翼。为现代飞机的操纵和结构奠定了基础。



军用飞行者B飞机

仿制与改进时期

莱特兄弟的“飞行者”飞机在欧洲引起了轰动,一大批的仿制飞机开始出现。而这其中最经典的就数布里奥十一型飞机。



布里奥十一型现代复刻机


布莱里奥十一型和“飞行者”有着相同的薄机翼设计,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,故需要外露钢线来提供辅助拉力。“布莱里奥十一型”原本横向稳定性并不好,直到1908年8月布莱里奥结合“飞行者”的设计,将其机翼扭转方式用在了他的飞机上,这才使得“布莱里奥十一型”有了真正的横向控制能力。

飞机标准构型产生阶段


在这一时期,出现了影响飞机结构的三大基本构型。流线型半硬壳机身、悬臂式下单翼、可收放式起落架成为这个时期的飞机以及直到现代的飞机的基本结构。悬臂式机翼是指不用撑杆或加线的单层机翼,独立的固定在机身的两个侧面,由内部的翼梁承载。1910年德国的容克斯设计出厚实的悬臂式机翼和全金属飞机。


容克斯本人


容克斯设计的全金属飞机


硬壳式结构有着薄而成弧状的外壳,不需内崁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,则就称为半硬壳式结构,这两种结构的主要承载部件都是外层蒙皮。1928年,洛克希德飞机公司推出了在飞机结构发展史上占据重要地位的“织女星”,该机证明了在提供相同机内空间的情况下,半硬壳式机身结构能比传统的桁架式设计减少35%横截面面积,因此降低了风阻,减轻了飞机的重量,让飞机有更好的性能、载运更多的旅客。“织女星”的成功设计很快就在全世界流行开来,也影响了大型运输飞机的设计理念。



“织女星“飞机硬壳机身


1931年洛克希德推又出了“猎户座”,基本上就是把“织女星”改为下单翼布局,并率先使用了可收放起落架,大大降低了飞行的阻力。“猎户座”是第一架使用可收放式起落架的民航机,从此之后,流线型半硬壳机身、悬臂式下单翼、可收放式起落架就成为飞机的标准构型了。



“猎户座”飞机

螺旋桨飞机称霸世界


1933年2月波音与联合航空推出划时代的民航客机B-247。这架飞机是继“猎户座”之后,再一次在飞机结构设计史上翻下新篇章的飞机。这是一架具有全金属、应力蒙皮结构、全包覆式机舱、流线型发动机罩、自动驾驶仪、下单翼布局以及可收放式起落架等设计特点的飞机。它是是民航史上开创新纪元之作,换句话说就是B-247是第一架“现代化”的民航机,之后的民航客机都是在模仿它的特点。



B-247飞机图                             B-247机身内部图


道格拉斯飞行器公司乘势推出DC系列客机。DC系列主要特点是全金属、下单翼、双发动机、可收放式起落架。DC系列的机翼翼梁在机舱地板的下方,因此舱内地板平坦,空间较宽阔,旅客不需弯腰。道格拉斯DC-3飞机是螺旋桨飞机成熟时代的开始。DC-3到了1940年就成为全世界航空运输业使用最多的飞机。也开启了发动机流线型机罩、襟翼、变距螺旋桨、增压发动机等的使用。


DC-3型飞机

喷气式飞机来了


可以说战争极大的促进了飞机的发展。二战期间,飞机开始使用涡轮喷气发动机, 1941年5月15日格罗斯特公司的首架E28/39喷气式飞机首飞,英国率先进入喷气时代。



E28/39飞机


世界第一架喷气式战斗机Me 262,于1944年进入德国空军服役。Me 262是第一架后掠翼生产型战斗机。一个月后格罗斯特飞机公司的“流星”战斗机(Meteor)也加入了英国皇家空军的行列。



图15 Me262飞机,在二战中出尽风头



图16  “流星“战斗机


美国第一架喷气机是贝尔飞机公司的XP-59A,于1942年10月首飞,之后不久便被洛克希德P-80“流星”取代,P-80是美国第一种投入实战的喷气式战斗机。1947年波音推出全世界第一架后掠翼喷气轰炸机B-47,与尾随其后北美公司的喷气式战斗机F-86的设计相比较,两者的机翼都是后掠35度。苏联也在1947年12月推出了后掠翼的米格-15。F-86和米格-15代表着第二代喷气式战斗机的诞生。

突破音障,进入超声速


20世纪50年代中期,喷气式战斗机已经能够在平飞中超过音速。到了1956年,洛克希德的F-104“星式战斗机”是第一架能持续飞行于两倍音速的飞机,该机具备优良超音速气动布局所应有的外型——尖锐的鼻端、纤细的机身、薄且锐利的机翼,这种设计的目的是在减弱机鼻和翼前缘的激波强度,以降低超音速时的波阻。



F-104战斗机


飞机发展到今天,结构越来越复杂,功能越来越强大。民航客机向着更加低成本、轻重量等方向发展,军用战斗机向着更加隐身、更加快速灵活等方向发展。而飞机的内部结构并没有太大的改变。也许在未来的某一天,飞机会彻底改变成我们从未想过的样子。



歼20



C919

 

 

本文作者: 诶蓝科技

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