極簡航空技術史

2020-11-04 笑談古今中外天下事

技術原指技能和手的技巧。隨著文明的進步,技術被定義為,人類為了實現社會需要(生產產品、提供服務或完成特定的目標)而創造和發展起來的手段、方法和技能的集合,或稱「技術是為某一目的共同協作組成的各種工具和規則體系」(法國狄德羅語)。

人類為了自由地翱翔藍天,從遠古和農耕時代開始,奮鬥了幾千年。早期,產生了不少航空發明技藝,可以將它們看作初始的技術。但由於航空的複雜性,只靠這些初始技術,人類無法實現飛行的夢想。直到工業時代,在航空科學的指引下,依託工業革命帶來的技術進步,經一大批技術先驅和無數航空人士的戮力奮鬥,終於在117年前,美夢成真。

令人驚嘆的是,在這段只有百餘年的短暫歷史裡,一個輝煌的現代航空產業形成,並正以旺盛的活力繼續發展。其中,起決定性作用的是在工程的旗幟下集結而成的航空技術體系。科學哲人主要用他們的頭腦,發現事物內在的規律,建樹起一個個定理、定律、方程,指引著解決問題的前路。技術先驅們則將用腦和用手(廣義的手)結合在一起,巧妙地解決一個個工程問題,把美好的創意變成可以實用的航空產品。

科學揭示規律,科學指明方向,但科學不會自發地生成技術,技術必須依靠像萊特兄弟這樣懂科學的聰明人、勤奮者、勇敢者,去探索、去發明、去創造。技術的鮮明指向性、目的性,決定了技術是解決現實問題之道,而這也正是技術的神奇之處。任何時候都不能鄙薄技術,尤其是在強調科學與基礎研究重要性的時候,不能走到另一個極端。有一種觀點,似乎只有科學突破,才有原始創新和自主創新,技術自身則不能,這是片面的,也是十分有害的。

與科學史相較,技術史呈現不一樣的風貌。如果說航空科學史是巨擘擎天,那麼航空技術史則是星光燦爛。航空技術蓬勃發展的時間雖不長,但事件多、人物多,不斷積澱,相互迭代,對其發展進程的描述也是見仁見智。我試圖從進步足跡、裡程碑事件、重大技術發明和影響深遠的技術思想與實踐這幾個不同維度,去挑選那些最重要的事項。其中大部分已為定論,少部分是我的認知,系挖掘與思考所得,不盡同於人。

簡史以時間(如非確需,只寫年份)為軸,以事件為主、輔以人物來引出技術,大多對應物化產品或系統,少數為技術思想或實踐。在每一選項裡,簡釋該技術的含義與作用,並簡要評介後續進展及相關人物的貢獻。儘量簡略文字,壓縮篇幅,以便於閱讀。

希望得到指正和補正。通過共同努力,準確認識航空技術史。奮鬥在強國徵程上的國人,需要更多地了解航空,而宣傳普及航空科技,包括發展進程,我們航空人責無旁貸。

正文

飛機的發明是20世紀最重大的科技成果之一,是集眾多領域技術之大成的綜合體。20世紀前半葉的兩次世界大戰,極大地促進航空技術發展,全金屬飛機、單翼結構布局、可收放起落架、密封式座艙、承力蒙皮結構、變距螺旋槳、航空無線電、自動駕駛儀等先後出現。40-50年代發動機技術的巨大進步,使航空從活塞時代走進噴氣時代。80-90年代電子信息技術迅猛發展,給航空帶來劃時代的變化。近30年來,軍用、民用航空技術仍在快速發展和進步,給航空業不斷注入新的發展活力;以戰鬥機為代表,步入第五代裝備的新階段,民機在大型化、安全性與經濟性方面也取得跨代式提升。按照上述脈絡,精選了 50件重大事項50位傑出技術先驅,構成極簡航空技術史。

(1)古代中國的四大航空發明

古中華、古希臘、古羅馬,都有大量美妙的飛行神話,但大多是頭腦中的臆想和口口相傳的故事。真正有意義的是古代中國先後誕生的四項有實物依據的航空發明——風箏、竹蜻蜓、孔明燈和爆竹。令人稱奇的是,這四大航空發明所蘊含的科學元素及內在的學理邏輯,恰對應四類現代航空器——飛機、直升機、浮空器和火箭,堪與古代中國四大發明(指南針、造紙、火藥、活字印刷)相映媲美。但令人扼腕嘆惜的是,宋代之後,中國人活躍的創新思維與活動戛然而止,上述精巧絕倫的發明也被定格在技藝層次,而非提升到技術層面,更遑論科學的高度,以至世界航空發展史上鮮有中國人的名字與業績紀錄。這一現象值得我們深思,在21世紀人類又一個航空百年中應有所改變。在進入新世紀以來,頭20年開局不錯,後80年仍需奮進。

(2)達∙芬奇的航空創意設計

1495-1505這十年間,義大利的 達∙芬奇(1452-1519年)闡釋鳥兒飛行,做出固定翼滑翔機、旋翼機和降落傘等大量創意設計,累計達35000字。遺憾的是,這些寶貴財富,直到1797年方才公諸於世。但後世的人們,仍能從達∙芬奇超越時代的非凡想像力與創造力中,汲取靈感和教益。

(3)氣球使人類首次離開地面

1783年,法國 約瑟夫∙蒙哥爾斐艾迪安∙蒙哥爾費兄弟製作的熱氣球實現人類的首次載人飛行; 弗朗索瓦∙德∙羅澤爾成為乘坐熱氣球升空的第一人。同年 亨利∙查理研製出利用氫氣的氣球,亦稱「查理氣球」,首飛成功。1784年,法國人 皮埃爾 ∙ 布蘭卡德實現氣球的空中操控。1785年, 布朗夏爾和助手乘自製氫氣球,飛越英吉利海峽。法國是氣球發展與應用的熱土,甚至組建了最早的氣球部隊。

(4)真正意義上的首個航空器問世

1809年,英國 喬治∙凱利製作了表面積達28平方米的滑翔機,堪稱歷史上真正意義的首個航空器。他既是對航空發展有撥正船頭之功的科學家,又是才華罕見的實踐家。1853年,憑藉他的滑翔機3號,在公眾面前,表演了人類首次載人飛行。萊特兄弟認為凱利是重於空氣飛行器的真正先驅。在航空技術發展的長時間裡,滑翔機發揮了極其重要的作用。在該領域的傑出代表當屬德國的 奧託∙李林達爾。他深入研究鳥類的飛行,並從1891年開始,製造了多架滑翔機,先後完成了兩千餘次飛行,積累了豐富研究成果和試飛數據,1896年8月10日,因前一天飛行試驗時失速受傷不治而獻身。1899年,另一位德國人 珀西∙皮爾徹也因滑翔機試飛而犧牲,而他生前已經創造了滑翔飛行230米的記錄,他的使用小型重油發動機的單翼機已經接近成功。

(5)世界首例重於空氣的飛行器設計專利

1843年,英國威廉姆∙塞繆爾 ∙ 漢森申請的以螺旋槳驅動的 「空中蒸汽車」設計專利被授予。這項設計的研製實驗失敗,仍具有劃時代意義。 1881年 ,俄國莫扎伊斯基獲得發明「空中飛行器」(飛機)的俄國專利權。

(6)飛艇的出現與商業航空的初興

1852年,法國的 亨利 ∙吉法德完成蒸汽動力飛艇的可操縱飛行,這也是人類的首次有動力航空器飛行。1900年,德國 費爾南德 ∙ 齊伯林製造的世界第一架硬式飛艇首飛成功;1909年他創立以飛艇為工具的航空運輸有限公司,商業航空初興,直到1937年因「興登堡號」空難而衰落。齊柏林集飛艇設計家、製造家、飛行家與商業航空企業家為一身,其成就為世人稱頌。1919年7月,英國硬式飛艇R.34完成世界首次往返大西洋飛行。

(7)世界上第一座風洞建成

1871年,英國 韋納姆建成世界第一座風洞,為開路式木箱結構,利用蒸汽馬達驅動風箱,可產生速度17.9米/秒的氣流。1901年,萊特兄弟也製作了自己的風洞,用於機翼選型試驗。在經歷上千次200餘種不同機翼的風洞試驗、取得大量數據的基礎上,確定了翼型,完成了飛機設計。1902年,俄國茹科夫斯基也在莫斯科大學領導建設了風洞。風洞是最為重要的地面試驗設施之一,採用逆向構建飛行環境,即人造氣流吹動試驗實物或模型的方式,模擬飛行,獲取數據,以研究空氣動力學規律,驗證飛行器氣動布局和性能計算。

(8)世界首款撲翼機問世

1890年,法國的 阿代爾製造了一架取名「風神」的撲翼機,該機裝有兩臺蒸汽發動機,在實驗時曾飛離地面20cm,飛躍了50m距離。雖不能稱為真正的成功,卻昭示了仿生飛行的潛質。在迄今的130年裡,因各種原因,撲翼機發展緩慢,工程實用尚待時日。

(9)世界首次有動力、重於空氣的大尺寸飛機試飛

1896年5月6日,美國 塞繆爾∙蘭利設計的有動力、重於空氣、非載人、大尺寸飛機試飛成功,為世界首例。但在隨後進行的多次載人飛行中,均因動力不足和結構強度不夠而未獲成功。其中最後一次試飛發生在1903年12月8日,萊特兄弟成功前9天。但蘭利雖敗猶榮,作為19世紀美國科技領軍人物,他的貢獻是多方面的,享有崇高地位。美國第一艘航空母艦和著名的空軍實驗室均以蘭利命名。

(10)世界首次載人、有動力、可控飛行成功

1903年12月17日,美國的 威爾伯∙萊特奧維爾∙萊特兄弟,使用他們自己設計製造的「飛行者1號」飛機,成功完成人類第一次載人、有動力、可控飛行,開啟了航空新紀元。萊特兄弟的成功是科學的成功,更是神奇技術的成功。他們如饑似渴地學習凱利的論著,從李林達爾的滑翔筆記與精神品格中獲取營養。而成功的直接技術原因是:自行改制適用的發動機,良好的構型與機翼設計,以及首創和採用翹曲機翼。利用翹曲機翼使飛機可控,避免李林達爾和許多獻出生命的先驅者的悲劇,而使航空科學探索得以持續與傳承,是萊特兄弟對人類航空事業的重大貢獻。翹曲機翼的原理是,通過操縱機構,使一側的機翼產生翹曲和扭轉,該側機翼升高,機身則會朝機翼較低的另一側轉向。在用機翼翹曲控制側傾的同時,又用前置升降舵控制俯仰,尾舵控制偏航,至此,飛行姿態的三軸控制系統初步成形。

(11)歐洲首次持續、有動力、可操縱飛行成功

1906年,巴西人 阿爾貝託∙桑託斯∙杜蒙設計製造的「14比斯」盒式雙翼機在巴黎飛行成功,被官方承認為「歐洲首次持續、有動力、可操縱的飛行」,在其中一次飛行時創造的37.36km時速,還被新成立的國際航空聯合會(FAI)記為第一項飛行速度世界紀錄。該型飛機的複製品飛翔於2016年奧運會開幕式上,足證其性能良好。杜蒙有多項航空發明和飛行記錄,但他放棄一切專利權聲索,表示一切成果歸眾人。他在1932年7月23日自殺,年僅59歲,原因竟是對航空器用於戰爭深惡痛絕,遺言是「我發明了世界的苦難」,令人嗟嘆!

(12)寇蒂斯的副翼與副翼系統問世

1907年,美國的 格倫·哈蒙德·寇蒂斯發明了副翼和副翼操縱系統。寇蒂斯大膽捨棄萊特兄弟的翹曲機翼,通過在機翼後緣上設置鉸接擋板,安裝對稱的操縱面,通過左右差動偏轉造成升力差,來維持飛行穩定性。這項設計極大地克服了「翹曲」的控制能力局限,是一項足可載入史冊、至今仍在應用的偉大發明。寇蒂斯在52年的生命裡,儘管因與萊特兄弟的專利糾紛,事業受到打壓,仍做出了多方面的成就。寇蒂斯飛機公司研製的各型飛機在第一、二次世界大戰中,成為美國軍用飛機的主力。其中1938年問世的寇蒂斯P-40型戰鬥機,共生產13738架,是美國與盟國的主力戰機之一。

(13)直升機問世

1907年,法國的 路易∙布雷蓋兄弟裡歇共同研製完成名為「陀螺飛機1號」的直升機,試飛時離地僅1.4米。同年, 保羅∙科爾尼也研製出一款載人直升機,試飛時離地30cm高度,但懸停了20s,該機無操縱功能。1911年,俄國人 尤裡耶夫發明自動傾斜器,解決了直升機的平衡與操縱問題。1932年,西班牙人 胡安·切爾瓦發明了鉸接式旋翼,推動了直升機技術的發展。

(14)「馮如1號」首飛與中國現代航空元年

1909年,旅美華僑 馮如(1884-1912)設計製造的「馮如1號」飛機成功飛上藍天。1911年2月,馮如回到祖國,投身辛亥革命。1912年8月25日,馮如在飛行表演中不幸犧牲,年僅28歲。馮如被尊為「中國首創飛行大家」和「中國航空之父」。中國航空界將1909年定為中國現代航空元年。

(15)水上飛機問世

1910年3月,法國人 亨利∙ 法布爾設計的浮筒式水上飛機首次試飛,為航空器增添了一種新的類型。同年7月,中國人 譚根研製成功水上飛機,並在芝加哥萬國飛機比賽中獲獎。1911年,美國寇蒂斯研製成功世界第一架實用型水上飛機,實現在艦船上著艦;1913年,他將飛機浮筒放大,形成船形機身,船身式水上飛機就此誕生,並在此後成為主流機種。1916年,波音公司成立後的「第一桶金」來自海軍的50架水上飛機(C型機)訂單;擔任波音首位工程師的 王助(1893-1965年)為解決該機的操縱穩定性問題做出傑出貢獻。

(16)世界首架原理性噴氣飛機問世

1910年,羅馬尼亞的 亨利∙科恩達(1886-1972)研製出一款試驗飛機;他用1臺活塞發動機,帶動一個管道內風扇轉動,驅動空氣向後噴出,產生反作用推力,被認為是世界首架原理性噴氣飛機。科恩達的這次試飛未獲成功,但其創新意義非凡。他還創立了科恩達效應理論,該理論揭示了流體有離開本來的流動方向,改變為沿凸起表面流動的傾向,亦稱「附壁作用」。1934年,科恩達在法國獲得了一項「將流體轉移到另一種流體中的方法和裝置」的專利,1936年又獲得有關科恩達效應的兩項專利。

(17)飛機首次用於戰爭

1911年,飛機被義大利遠徵軍用於空中偵察;同年,墨西哥內戰革命軍僱傭美國飛行員 埃文蘭伯,駕駛「寇蒂斯」式飛機,與政府軍的一架偵察機在空中用手槍互射,開創了空戰先例。同年11月,在意土戰爭中,義大利空軍首次從飛機上向敵方地面投擲榴彈,為空中轟炸的發端。 1912年,機槍被搬上萊特B型飛機。第一次世界大戰初,法國人把帶活動支架的重機槍裝到飛機後座上,由觀察手兼任後射機槍手。在1914-1918年的一戰期間,作為人類歷史上一種新作戰方式的規模空戰出現。 1915年,第一次成功的軍事空中攝影由英國皇家陸軍航空隊實現。 1917年,一戰結束前,德國研製的「光學轟炸瞄準具」問世,為初始的火力控制裝置。

(18)飛機首次用於定期商業客運

1914年,在美國佛羅裡達州開闢了一條飛越海灣、連通聖彼得斯堡和坦帕的旅遊航線,飛機被首次用於定期商業客運。 1919年,巴黎—布魯塞爾航線開通,使用法爾芒公司由轟炸機改16座飛機,為世界首條國際商業客運航線。

(19)機槍射擊協調器問世

1915年,荷蘭的 安東尼·福克爾研製成功機槍射擊協調器。其原理是在螺旋槳軸上安裝一個凸輪,突起部分對應螺旋槳片的位置,當槳葉與槍管成一線時,機槍自動停止擊發。這一看似簡單的天才設計改變了空戰雙方的能力態勢。在一戰中,德國率先將這一發明用到福克-E型單翼飛機上,擊落大量協約國的飛機。英軍自嘲地將自己喻為「福克飛機的餌食」,即「福克災難」。由此,福克-E也被認為是世界第一種真正實戰意義上的戰鬥機。

(20)全金屬飛機問世

1915年,世界上第一種使用鋼材的全金屬飛機J-1「錫驢」由德國 容克斯設計製成,首飛成功。 1919年,容克斯又研製出世界上第一架全金屬結構的、專門設計的客機J.F13,該機還成為世界上首款採用封閉式客艙、座椅系安全帶、機艙內裝有暖氣的客機。從以木料為結構材料,到全金屬飛機的出現,飛機的性能有了巨大提升,開闢了新的進步途徑。而容克斯本人還是厚機翼理論的創建者,將油箱置於機翼內的專利權擁有者,飛機由軍用轉向民用的推動者,以及多款名機的設計大師。 1933年,具有全陽極氧化鋁結構的波音247型客機首飛成功,它以流線型外型、可收放起落架和自動駕駛儀、除冰器等配置,成為第一種現代客機。

(21)首次不著陸飛越大西洋

1919年,英國 阿爾科克布朗駕駛「維米」轟炸機,從美洲紐芬蘭的聖約翰斯向東飛行,抵達愛爾蘭的克利夫登,實現人類首次不著陸飛越大西洋。 1927年,經33小時從紐約到巴黎的飛行,美國 查爾斯 ∙ 林德伯格(林白)完成單人不著陸跨大西洋飛行壯舉,也標誌著飛機遠距離飛行性能的歷史性進步。

(22)可收放式起落架首次用於飛機

1920年,美國人在「戴頓-萊特」競賽飛機上首次安裝了可收放式起落架,性能良好,並使競技成績大為提高。後為世界各國仿效,到二戰爆發前,可收放式起落架已被戰鬥機廣泛採用。迄今,除水上飛機和少數小型飛機外,可收放式起落架已是多數航空器的必選。

(23)首次完成空中加油

1923年,美國陸軍航空隊在DH-4B飛機上完成世界首次空中加油。1933年,蘇聯進行了第一次空中加油試驗。1934年,英國進行了轟炸機的空中加油。1938年,英國研製出最早的空中加油機A.W.23,該機為帝國航空公司提供空中加油服務。

(24)電動陀螺儀被首次裝在飛機上

1927年,電動陀螺儀被首次裝在飛機上。陀螺儀具有空間定向能力,是飛機導航儀表和自動駕駛儀的基礎器件。電動陀螺儀的裝機,為實現飛機的自動飛行創造了條件。最早裝於飛機的電動陀螺儀是1914年由美國人 斯派雷製成的。

(25)無人機問世

1927年,英國皇家飛機研究所研製出「喉」式單翼無人機,成功飛行了480km,被認為是世界最早的無人機。1933年,英國的「仙后」靶機問世,該機採用無線電遙控,是最早的實用型無人機;隨後,在1934-1943年間,先後有420套「虎蛾」雙翼教練機被改制成無人機。隨著無線電控制和慣性導航技術的進步, 1939年,美國 雷吉納德 ∙ 丹尼和他的無線電飛機公司製成RP-1遙控飛機,至二戰結束,美軍共採購15000架,改制成靶機;後經多次改進,累計生產48000餘架。同年,德國研發出能攜帶1噸炸彈、執行投放任務後可返回基地的遙控無人攻擊機,被認為是現代攻擊無人機的鼻祖;後在此基礎上,催生出著名的V-1飛彈。50年代中期,美國陸軍將RP-71型靶機改制成AN/USD-1戰場監視機,為世界首架實用型無人偵察機。從 上世紀90年代以來,軍用無人機呈現全面而旺盛的需求。民用無人機隨軍用無人機技術的外溢效應、依賴機上任務載荷的發展而發展,並得益於機體的低成本化和控制軟體的開源化,從上世紀 80 年代以來呈現大發展局面。

(26)直升機實用化進程開啟

1936年,德國人 福克∙沃爾夫成功試飛了載人直升機FW-61,被公認為世界首架技術成熟的直升機。同年,俄裔美國人 伊戈爾∙伊萬諾維奇∙西科斯基研製成功單旋翼帶尾槳直升機VS-300。直升機的實用化進程由此開始。

(27)渦輪噴氣發動機問世及噴氣時代開啟

1937年,英國 弗蘭克∙惠特爾研製出世界首臺離心式壓氣機渦輪噴氣發動機( 壓氣機由後面的燃氣渦輪帶動,故稱渦輪噴氣發動機,簡稱渦噴)。 1938年,德國人 漢斯·馮∙奧海因 研製成功 軸流-離心組合式壓氣機HeS3渦噴發動機。 1939年,配裝HeS3發動機的He178飛機完成首次飛行試驗,開啟了人類航空的噴氣時代。此前, 1913年,法國的雷恩·洛林獲得第一個無壓氣機式噴氣發動機專利。惠特爾和奧海因的專利分別於1932年和1935年獲得。

(28)適航概念與適航管理提出

20世紀30年代,適航概念及適航管理從國際海商法中引入航空領域。這是民用飛機安全技術的重要進步。適航性是指,航空器整體性能和操縱性特性,在預期使用條件下保持其安全性和物理完整性的品質。適航標準是為保證航空器的適航性而制定的最低安全標準。適航管理是以保障航空器的安全性為目標,以適航標準為依據的技術管理,分為初始適航管理與持續適航管理,以保證航空器在全壽命周期內的安全性。

(29)後掠翼概念的提出與後掠翼飛機研製

1935年,德國 阿道夫∙比斯曼提出後掠翼概念和理論;1942年,首次採用後掠翼機翼的德國Me-262噴氣戰鬥機試飛成功。後掠翼指機翼各剖面沿展向後移,可推遲激波出現,提高臨界馬赫數,有利於飛機跨聲速飛行。二戰後,蘇、美也相繼研製出後掠翼飛機,現已成為戰鬥機的主流樣式。

(30)機載雷達首次用於飛機

1937年,英國人 鮑恩研製出一種小型雷達,安裝在「安森」號飛機上;這是世界上第一種安裝雷達的飛機。較之地面雷達,機載雷達的作用範圍更加寬廣。它已成為大中型飛機全天時全天候安全飛行的基本配置,也是軍用飛機最重要的目標探測裝備。

(31)可靠性概念的提出

1939年,英國航空委員會首次提出可靠性概念。二戰中,德國有80多枚V2飛彈在發射臺上就發生了爆炸;美國因機載設備失效損失的飛機,是被擊落飛機數量的1.5倍。由此,可靠性問題受到重視。到20世紀50年代,發展成一門分支學科。可靠性通常被定義為:產品在規定條件和規定時間內,完成規定功能的能力。通常用平均故障間隔飛行小時和平均故障間隔時間分別作為飛機全機和設備的可靠性度量參數。在工程上,確保可靠性的主要環節是可靠性設計。

(32)機載制導武器登上舞臺

1944年,德國首先研製完成X-4型有線制導空空飛彈,因二戰即告結束而未投入戰場使用;從20世紀50年代中期以來,空空飛彈獲得快速發展。通常分紅外、雷達和複合等不同制導方式,近距(20km內)、中距(20-50km)和遠距三種射程。 20世紀50年代初,另一種機載制導武器——空地飛彈出現;空地飛彈包括戰略和戰術兩類,是飛彈家族中型號最多、發展最活躍、最集中體現高技術的航空攻擊型武器,在執行打擊和摧毀地(水)面目標的作戰任務中,作用巨大。空空和空地飛彈因其發射平臺機動、攜初始能量、能自動跟蹤和高效毀傷目標,成為各類戰機的主要配置武器,至今各自都經歷了四代產品的發展。我國空空飛彈系列以「霹靂」命名,已整體步入世界先進水平。

(33)突破聲障

1947年10月14日,貝爾公司研製的以火箭發動機為動力的X-1研究機由B-29飛機帶到空中投放, 查爾斯∙耶格爾上尉駕駛X-1機在12800m高空首次突破聲障,速度達到1.015馬赫數(1078km/h)。由此,航空進入超聲速時代。這次試飛是1944年美國軍方和國家航空諮詢委員會(NACA,現NASA)制訂的超聲速試驗機計劃的步驟之一。

(34)渦輪風扇發動機問世

1947年,英國羅爾斯·羅伊斯公司研製的「康維」渦輪風扇發動機開始臺架試車,1959年定型,是世界上第一種批量生產、並用於客機(B707、DC-8等)的渦扇發動機。(渦扇的設計專利為英國人 弗蘭克∙惠特爾於1936年獲得。德國戴姆勒-奔馳研製的DB670為世界上首臺在試驗臺運轉的渦扇發動機,因技術原因與戰爭停止發展。)從上世紀70年代開始,渦扇發動機逐漸成為主要動力。在技術上,向低涵道比加力和高涵道比兩個方向發展。前者主用用於戰鬥機,後者主要用於運輸類飛機。實用化的高涵道比渦扇發動機分別首先用於美國C-5A軍用運輸機和B747-100大型客機,而後成為運輸類飛機的主流動力。(涵道比是指渦扇發動機的外涵道空氣流量與內涵道空氣流量之比,涵道比高,發動機的推進效率高,耗油率低。)

(35)複合材料用於飛機機體製造

20世紀40年代,玻璃纖維增強型複合材料問世; 20世紀60年代末,高性能碳纖維初步商業化,以連續碳纖維增強的高性能樹脂基複合材料應運而生。各種高強度、高模量纖維與非金屬基體或金屬基體複合而成的各類複合材料,熱穩定性好,比強度、比剛度高,具有抗疲勞的特點,成為飛行器最具前景的新結構材料。複合材料的應用從受力較小的結構件開始,逐步擴展到次承力結構、主承力結構。2009年,FAA發布AC20-107B文件,總結近20年來民機複合材料應用的經驗,指導複合材料結構疲勞、損傷容限設計和符合性驗證等。 B787和A350XWB兩款大飛機的復材用量分別達50%和52%的,除起落架等少數部分外幾乎所有構件都是復材製造的;B787的筒形機身已可整體成形。

(36)慣性導航系統用於航空器

1950年,美國斯佩裡公司研製的第一部慣性導航系統誕生,並在道格拉斯DC-3客機上試飛。慣導是一種以牛頓力學為理論基礎的自主式導航系統,能夠提供導航坐標系中的速度、偏航角和位置信息,是各種飛機不可或缺的裝置,按在飛機上的安裝方式分為平臺式和捷聯式兩種。70年代後,另一種能夠提供高精度三維位置、速度和精密時間信息的導航系統——全球衛星導航定位系統得到發展,美國的GPS和俄羅斯的GLONASS,分別在1994年和1995年建成,我國的「北鬥系統」即將部署完畢。

(37)噴氣式客機登上歷史舞臺

1952年,世界首款噴氣式客機——英國 德 ∙ 哈維蘭設計製造的「彗星號」投入運營,該機採用四發,巡航速度788km/h。遺憾的是,在1953年至1954年間因機身疲勞斷裂,3次引發空難,後退出歷史舞臺。而1958年投入航線運營的波音707飛機,由於採用了多項新技術,其性能優良,單座運營成本甚至低於螺旋槳飛機,成為最成功的的噴氣式客機;它的成功標誌著世界民航運輸業進入全球化、大眾化新時期。波音707有民用、軍用及特種機多型,執業界牛耳近半個世紀。

(38)突破熱障

1956年9月27日, 由美國貝爾飛機公司研製的X-2驗證機在試飛中速度達到3.196馬赫數,首次突破熱障,創造這一記錄的試飛員是 梅爾本.阿普特。X-2 裝備火箭發動機,採用後掠翼,試驗目的是研究高空高速飛行條件下的氣動加熱對機體結構的影響,以及飛行穩定性和操控有效性。熱障是指飛機在稠密大氣中作超聲速飛行時,因氣動加熱所帶來的結構、材料的強度下降甚至性能破壞問題,一般將2.5馬赫作為熱障的界線。突破熱障的代表機型有蘇聯米格-25戰鬥機和美國RS-71戰略偵察機。

(39)垂直起降固定翼戰鬥機服役

1969年,英國研製的AV-8「鷂」式垂直起降飛機開始服役,是世界上第一種實用的垂直起降戰鬥機;但其滿載時只能短距起飛。蘇聯的雅克-30「鐵匠」也達到了實用程度;1971年首飛,1976年服役。2008年,美國「短距起飛、垂直降落」的F-35B(STOVL)完成首飛,2013年列裝。具有垂直起降功能的另類為美國V-22「魚鷹」,它採用可轉動噴管發動機與可傾轉旋翼的組合構型;1999年交付美海軍陸戰隊使用。此類飛機,無論何種構型,技術難度都甚大,集中於升力與推力兼具的動力裝置、燃氣再循環、增升裝置、模態轉換時的操縱與穩定控制等。

(40)飛機結構設計思想變革

20世紀60年代,飛機結構設計思想和方法由此前傳統的靜強度設計開始發生重大變革。因英國「彗星」號飛機在1954年前後連續發生空中解體事故,而空難原因判定為金屬疲勞,而引入疲勞-安全壽命設計。 70年代,又因在1968-1969年間密集發生的因斷裂而生的事故,引出耐久性-損傷容限設計。後又發展出經濟壽命設計、以可靠性為基礎的結構完整性設計等。結構設計思想與方法的變革是航空技術進步的一個重要方面,對於提高飛機的安全性具有至關重要的意義。

(41)世界最大的客機投入商業運營

1968年,在總設計師 喬·薩特的領導下,美國波音公司的400座級客機B747出廠,該機為世界首款雙通道客機,為A380問世前世界最大客機;使用四臺渦輪風扇發動機,最大載油量134噸,商載90噸,航程13000KM,該機採用客貨兩型並行開發的技術途徑,是有史以來最成功的民機機型之一。 2007年,空中巴士550座級的A380投入使用,取代B747成為全球載客量最大的客機,該機是首架真正意義上的雙層客機,經濟性優異。由於發動機技術的進步,這兩款四發大型客機現正被雙發遠程客機所替代而退出運行。

(42)世界第一種採用電傳操縱系統的飛機首飛

1974年,世界上第一種採用主動控制技術和電傳操縱系統(模擬式)的飛機—F-16A/B戰鬥機試飛成功,標誌這項技術從C-1型自動駕駛儀(1943年裝於B-17E轟炸機)開始,經30年發展,成長為一個可靠的功能系統。1978年,該機交付使用。1985年,採用數字式電傳操縱系統的F-16C/D入役。1988年,空客A320成為最先採用電傳操縱系統的客機。

(43)超聲速客機「協和號」投入運營

1976年,英國、法國聯合研製的「協和號」超聲速客機投入航線運營,這是世界第一款、也是迄今唯一一款超聲速商用客機,堪稱集成當時先進航空技術的傑作。由於音爆噪聲,以及經濟性差、載客量偏小、運營成本較高等問題,在2000年7月發生的一場非飛機原因的事故後,於2003年全部退役。同期,蘇聯的圖-144也研製成功,但未真正投入客運,1989年退出貨運。而 美國波音的2707 超聲速客機中途下馬。

(44)法國達索發布CATIA系統軟體

1982年,法國達索系統公司向全球發布CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application)第1版本,連同在此前後一大批計算機輔助設計、工程、製造和數據管理軟體的開發與應用,標誌著全球航空工業跨進數位化新階段。其中,CATIA在CAD/CAE/CAM/PDM領域居翹楚地位,迄今已更新到6版本。 弗朗西斯 · 伯納德對CATIA的開發做出了最重要的貢獻。波音公司的B777項目是世界首例進行100%數位化設計和裝配的大型客機。我國的新「飛豹」戰機是國內首次實現全機三維設計和電子預裝配的飛機項目。

(45)隱身技術實用化

1983年,美國戰鬥轟炸機F-117A正式交付部隊,這是世界首款全隱身設計的飛機,標誌隱身技術的實用化。此後,美國研製的B-2、F-22、F-35等飛機,以及多型巡航飛彈、反輻射飛彈等武器,也都採用了隱身設計。隱身亦稱低可探測性,該項技術的實質是極力降低飛機的雷達、紅外、雷射、短時、目視及聲學特徵,使己方難以被敵方探測設備發現與跟蹤。雷達隱身,即減縮飛機雷達反射截面積,是飛機隱身技術的重點。

(46)綜合航空電子系統概念與計劃提出

1987年,美國空軍提出綜合航空電子系統預先發展計劃,即「寶石柱」航空分布式層次綜合系統,是指採用分布式計算機,通過多路傳輸數據總線把多種機載電子分系統交聯在一起的綜合體。90年代,又提出「寶石臺」新一代綜合航空電子系統結構,為高性能軍用飛機提供綜合程度更高的通用結構。該項技術成果已分別用於F-22和F-35戰鬥機。

(47)第五代戰鬥機首飛與服役

1990年,由美國洛克希德∙馬丁、波音和通用動力公司聯合研製的重型隱身戰鬥機F-22首飛成功。它所體現的戰術性能、技術特徵及設計理念,集中反映了航空科技的最新成果和作戰理念的變革。此後又有了美國F-35和俄羅斯蘇-57以及中國的兩型五代機服役。以戰鬥機為標誌,世界軍事航空進入新時代。

(48)綠色航空的提出與興起

1992年,聯合國世界環境與發展大會通過了《21世紀宣言》和《裡約環境與發展宣言》。該宣言提出「綠色」觀念,航空界也開始使用「綠色航空」概念。21世紀初,歐美航空發達國家圍繞此概念,制定了一系列研究計劃,各知名公司和企業也紛紛開展綠色航空實踐。我國在2008年前一般用「低碳航空」來表述,2008年後也採用「綠色航空」的通用概念,並開始日益深入和廣泛的綠色航空實踐活動。

(49)有源相控陣雷達配裝戰鬥機

2004年,美國雷神公司研製的APG-63(V)2有源相控陣雷達配裝F-15C戰鬥機,這是世界首例實用化有源相控陣雷達。有源相控陣雷達作用距離更遠、可靠性更高,在同一時間內可完成兩種以上的雷達任務,代表了機載雷達的發展方向。

(50)X-37B首次飛行

2010年,美國波音公司研製的X-37B「軌道試驗飛行器」(OTV),完成歷時7個多月的首次在軌試驗任務。該機由火箭發射進入太空,是第一架既能在地球衛星軌道上飛行,又能進入大氣層的飛行器,結束任務後能自動返回地面,被認為是未來太空戰鬥機的雛形。迄今,已完成5次執飛。第五次飛行自2017年入軌,2019年10月返回,在軌780天,為單次時間最長的一次飛行。

主要參考書目:

《航空科學技術的發展》張耀主編,航空工業出版社

《飛機發展歷程》李業惠主編,航空工業出版社

《從原始飛行器到第二次世界大戰》(英)羅伯特∙傑克遜,中國市場出版社

《從噴氣機時代到未來之翼》(英)羅伯特∙傑克遜,中國市場出版社

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