程不時(shí)

大小機(jī)翼之爭B－29設(shè)計(jì)中美國軍方的疑惑

在第二次世界大戰(zhàn)中問世的美制B－29重型轟炸機(jī)，是當(dāng)時(shí)使用的最大機(jī)型。該機(jī)是美國對(duì)20世紀(jì)前半個(gè)世紀(jì)大型飛機(jī)技術(shù)集大成的機(jī)型，在大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)曾用于對(duì)日本投擲原子彈。在大戰(zhàn)中，B－29曾在中國大陸起飛轟炸過日本本土。當(dāng)時(shí)曾有一架B－29在前蘇聯(lián)境內(nèi)迫降，被前蘇聯(lián)扣留并測(cè)繪制成圖－4重型轟炸機(jī)，從此該機(jī)便成為 前蘇聯(lián)對(duì)大型金屬飛機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的起點(diǎn)。

B－29并不是如常規(guī)那樣按軍方公布的設(shè)計(jì)要求研制出來的，而是出自波音公司1939年的兩項(xiàng)自費(fèi)型號(hào)的預(yù)先研究。在1939年12月，波音公司自費(fèi)建造了一種重型轟炸機(jī)的展覽樣機(jī)。至此，軍方才提出了設(shè)想的“超級(jí)轟炸機(jī)”的技術(shù)要求。1942年5月，美國軍方撥給了對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究和風(fēng)洞試驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)。同年8月，又撥給了制造兩架原型機(jī)及一架靜力試驗(yàn)機(jī)的經(jīng)費(fèi)。由于軍方要求這架飛機(jī)具備前所未有的航程、載彈量和自衛(wèi)火力，這就使得該飛機(jī)被設(shè)計(jì)成為一種重量空前的飛機(jī)。波音公司為這種飛機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)翼載荷，超過了已有航空設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。也就是說，相對(duì)于要承受的飛機(jī)重量而言，設(shè)計(jì)了一副面積較小的機(jī)翼。

凡是突破原有的技術(shù)，必然引起新的疑慮。由于B－29的機(jī)翼面積比按常規(guī)設(shè)想的要小，所以引起了軍方技術(shù)人員的懷疑，他們要求加大機(jī)翼面積。這對(duì)波音公司的設(shè)計(jì)人員施加了不小的壓力。于是美國軍方與設(shè)計(jì)方爆發(fā)了一場“大小機(jī)翼之爭”。

加大機(jī)翼面積，可以使飛機(jī)便于起飛和著陸。但是大機(jī)翼將使飛機(jī)的阻力加大，使飛機(jī)的巡航速度減小，其載油量就不可能飛完原定的航程。如果要保證原定的航程，就必須擠掉載彈的重量來增加燃油；如果既要保證原定的航程，又要保持載彈量，那就必須增加載油量，這樣一來，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸也要放大，這些都會(huì)使飛機(jī)的重量進(jìn)一步增加。反過來，這又會(huì)要求把機(jī)翼加得更大。幾個(gè)循環(huán)下來，飛機(jī)的整體尺寸就會(huì)比原設(shè)計(jì)放大出很多。

設(shè)計(jì)人員用令人信服的理由，終于說服軍方同意保持原設(shè)計(jì)的尺寸規(guī)模。在采用較小機(jī)翼后對(duì)飛機(jī)起飛著陸性能的改善，則依靠在機(jī)翼后緣采用更先進(jìn)的“富勒襟翼”來解決。這種襟翼在放下時(shí)，不但如以前的“開裂式襟翼”一樣，會(huì)改變機(jī)翼剖面的彎度，并且還會(huì)增加20％的機(jī)翼面積。這樣就加大了飛機(jī)在起飛著陸低速飛行階段下的升力。

為此，設(shè)計(jì)人員通過一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)來改進(jìn)和完善襟翼設(shè)計(jì)，并且將在一架小型教練機(jī)PT－19A裝上B－29機(jī)翼和平尾的縮比模型進(jìn)行了試飛驗(yàn)證，以證實(shí)這種設(shè)計(jì)的合理性。

可以說，在飛機(jī)大型化過程中，在航空技術(shù)發(fā)展史上起了重要作用的B－29，曾引發(fā)了對(duì)機(jī)翼增升裝置的不斷改進(jìn)。

高速與低速性能的矛盾

一般來說，大機(jī)翼有利于起飛著陸，小機(jī)翼有利于高速巡航。大小機(jī)翼之爭，實(shí)際就是說，在設(shè)計(jì)中是應(yīng)更多地照顧飛機(jī)起飛著陸的低速性能，還是更多地照顧飛機(jī)巡航的高速性能的問題。對(duì)于大型飛機(jī)來說，低速性能要求機(jī)翼之“大”，與巡航性能要求機(jī)翼之“小”，兩者相差很遠(yuǎn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，總是力圖加大機(jī)翼增升裝置（襟翼）的增升作用，使機(jī)翼在滿足著陸要求的條件下做得盡可能小些，以盡量滿足高速飛行中的小機(jī)翼要求。

飛機(jī)向大型化發(fā)展，飛機(jī)的起飛噸位不斷增加，因此提高襟翼的增升能力，是飛機(jī)大型化中必須不斷研究的問題。

1954年，美國推出了它的第一種噴氣客機(jī)367－80型，這是波音707的前身。雖然在此前，歐洲和前蘇聯(lián)已經(jīng)推出過幾種噴氣客機(jī)，如英國的“彗星”號(hào)、“三叉戟”，蘇聯(lián)的 圖－104，法國的“快帆”等等，但是這些客機(jī)的載客量都是在100座以內(nèi)，票款的收入很難與在具有噴氣技術(shù)飛機(jī)上所付出的代價(jià)平衡，因此在運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性上都不很成功。美國大膽地推出的波音707的載客量是180人，比以前的噴氣客機(jī)的載客量幾乎提高一倍。這種機(jī)型很快在全球民用噴氣客機(jī)市場上打開了局面，并同時(shí)成為一種極有軍事價(jià)值的空中飛行平臺(tái)，其軍用改型得到美國軍方的大量采用。因此有人認(rèn)為，波音707是真正打開“噴氣時(shí)代”大門的機(jī)種。

但是這種載客量的飛機(jī)，它的機(jī)翼載荷必須進(jìn)一步提高才能充分發(fā)揮效能。這就要求機(jī)翼上的增升裝置必須提高其增升效果，才能滿足飛機(jī)在起飛著陸低速飛行階段的性能要求。波音707在機(jī)翼后緣采用了“雙縫襟翼”，即在襟翼放下后，從襟翼前緣造成兩股氣流吹拂襟翼上表面，以防止在襟翼大偏角度下上表面的氣流分離。同時(shí)，在機(jī)翼的前緣則采用了全翼展的“前緣襟翼”以改善機(jī)翼的彎度。

有意思的是，機(jī)翼后緣的襟翼放下后，在機(jī)翼根部造成的氣流縫隙，理論上會(huì)減小增升效果。為了考察在實(shí)際飛機(jī)上這個(gè)作用是否顯著，波音公司特地在一架試飛的飛機(jī)上，事先用螺栓固定一塊檔板把這個(gè)縫隙堵上，然后再讓試驗(yàn)機(jī)帶著放下的襟翼起飛，在空中觀察試驗(yàn)效果。試驗(yàn)中果然發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)的失速速度有進(jìn)一步的降低，有利于改善起飛著陸性能。因此在后來制造的波音707飛機(jī)上，其機(jī)翼內(nèi)側(cè)襟翼的內(nèi)端，都安裝有一塊帶滑軌的角片，以用來堵塞襟翼放下時(shí)的縫隙。由此人們可見，設(shè)計(jì)師們?yōu)榱税l(fā)掘出增升裝置的潛力，在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上是如何地不遺余力。

在近代大型飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，甚至還要考慮飛機(jī)在進(jìn)入失速時(shí)，由于飛機(jī)本身可觀的慣性影響，飛機(jī)的實(shí)際失速速度可以低于預(yù)測(cè)的失速速度。如果將這個(gè)效應(yīng)考慮進(jìn)去，機(jī)翼面積可以比理論預(yù)計(jì)的再減小10％以上的量級(jí)。這樣選擇出的機(jī)翼面積，就可進(jìn)一步接近高速巡航所需要的“小機(jī)翼”面積了。

加縫到“三縫”效果到頭了

噴氣技術(shù)在運(yùn)輸類飛機(jī)上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和綜合經(jīng)濟(jì)效益，在大型飛機(jī)上發(fā)揮出了勢(shì)不可擋的優(yōu)勢(shì)。因此，在波音707推出后14年，波音公司又推出了20世紀(jì)最大的噴氣客機(jī)波音747，其載客量比707又提高了一倍以上，達(dá)到363～490人。

從總體布局上看，波音747的設(shè)計(jì)在很大程度上是波音707的放大。比較明顯的差別是，為了使裝貨時(shí)貨箱能夠通暢地進(jìn)入客艙而將駕駛艙凸出在機(jī)頭上方，并將機(jī)翼的后掠角從波音707的35度加大到375度。但是，由于波音747具有更大噸位的起飛重量，所以要求探尋更有效的機(jī)翼增升裝置。

波音從B－29的后退式“富勒襟翼”，得到過有明顯增升效果的好處。在波音707上將襟翼的“單縫”改為“雙縫”后，又進(jìn)一步提高了增升效果。那么，繼續(xù)增加襟翼的開縫數(shù)量，是否還可以發(fā)掘出新的增升潛力呢？

通過風(fēng)洞試驗(yàn)，果然發(fā)現(xiàn)將襟翼前端“雙縫”改為“三縫”，增升效果可以進(jìn)一步提高。但是提高的幅度，已經(jīng)不如從“單縫”改為“雙縫”那么大了。如果再設(shè)計(jì)為“四縫”，增升效果雖然增加，但改進(jìn)的幅度就會(huì)更不明顯，而且也不能抵消由此增加的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度帶來的負(fù)面影響。因此，靠增加襟翼的縫數(shù)來提高增升效果，三縫已經(jīng)到頭了，縫數(shù)再多似如隔靴搔癢。

也許，襟翼縫數(shù)的增升效果能說明世間許多事物的“非線性”規(guī)律，即有些東西并不是越多越好，或者越少越好那么簡單。數(shù)量到一定程度就達(dá)到了變化的極限，原來的規(guī)律就不再適用了。超過了限度，有時(shí)反而達(dá)不到設(shè)想的結(jié)果。正因?yàn)槿绱耍詥栴}通常都有一個(gè)“最優(yōu)”的解答，設(shè)計(jì)也有一個(gè)“優(yōu)化設(shè)計(jì)”的問題。

就這樣，20世紀(jì)最大的波音747飛機(jī)，在機(jī)翼后緣采用的是“三縫襟翼”。到今天為止，還沒有出現(xiàn)過某種采用“四縫”或“五縫”襟翼的飛機(jī)。至于在航空研究中曾經(jīng)研究過的效能更高的“噴氣襟翼”等先進(jìn)增升技術(shù)，由于其工程實(shí)施上的復(fù)雜性，雖提出已有40多年，但并沒有在大型噴氣飛機(jī)上實(shí)際使用。

后掠翼大型飛機(jī)誕生的故事

1938年8月27日，德國的“亨克爾178”噴氣試驗(yàn)機(jī)作了首次飛行，開創(chuàng)了噴氣飛機(jī)的先河。但這種新技術(shù)遭到當(dāng)時(shí)德國官方的否定。兩年后，1941年5月14日，英國用完全獨(dú)立研制的第一架噴氣飛機(jī)“格羅斯特E28”作了首次飛行。

當(dāng)噴氣技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)被英方認(rèn)識(shí)到之后，立即進(jìn)行了噴氣戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)。而這種飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)也立即被送到了美國，使美國能使用這種新型動(dòng)力來設(shè)計(jì)新的飛機(jī)。由于初期的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推力很小，所以當(dāng)時(shí)只能在戰(zhàn)斗機(jī)上使用。英美所研制的噴氣戰(zhàn)斗機(jī)，都沒有趕上在二次大戰(zhàn)的戰(zhàn)場上發(fā)揮作用。但在戰(zhàn)爭結(jié)束后的1946～1948年，他們則進(jìn)行了戰(zhàn)斗機(jī)由螺旋槳至噴氣化的大轉(zhuǎn)換。

1943年，波音公司應(yīng)美國空軍要求進(jìn)行了用多臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)裝備轟炸機(jī)的研究。開始了大型飛機(jī)噴氣化的歷史進(jìn)程。

緊急電報(bào)中止了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

波音公司先后提出過幾種研究性方案。正如早期噴氣戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展過程一樣，最初一些設(shè)想是在傳統(tǒng)的平直機(jī)翼飛機(jī)上簡單地裝上噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。波音公司最初的“424號(hào)”方案實(shí)際上就是B－29螺旋槳轟炸機(jī)的縮小，只是在翼下成對(duì)地掛上四臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。風(fēng)洞試驗(yàn)揭示出這個(gè)方案是不成功的。

波音公司開始尋找其它的發(fā)動(dòng)機(jī)位置來增進(jìn)機(jī)翼效率?！?32號(hào)”方案是將四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)全部裝在機(jī)身內(nèi)?？哲妼?duì)該方案提供了第一階段的研究合同，定名為XB－47，并同時(shí)向其他四家飛機(jī)公司提出了噴氣轟炸機(jī)研究的要求。波音公司又另提出了幾種布局，并進(jìn)一步進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，但并沒有找到能夠充分發(fā)揮出噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)效能的最佳設(shè)計(jì)。這時(shí)納粹德國被擊敗。波音公司的工程師被允許去德國進(jìn)行考察，并進(jìn)入其飛機(jī)工廠及空氣動(dòng)力研究中心，探討德國技術(shù)的重要進(jìn)展以便用在美國的設(shè)計(jì)中。當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要的內(nèi)容，是后掠機(jī)翼在高速飛行中的性能收益。德國曾試驗(yàn)過大至45度的后掠角或前掠角的機(jī)翼，會(huì)使飛機(jī)飛行速度在接近音速時(shí)，明顯地推遲激波的形成。

這似乎正是XB－47所需要的技術(shù)，于是一封緊急電報(bào)發(fā)往了波音公司在西雅圖的總部，隨后波音公司立即停止了對(duì)平直機(jī)翼的研究，轉(zhuǎn)向后掠翼方案的研究。這樣，便形成了“448號(hào)”方案，其機(jī)翼1／4弦線后掠角為35度。但發(fā)動(dòng)機(jī)仍然全部裝在機(jī)身內(nèi)。當(dāng)時(shí)，在戰(zhàn)爭剌激下航空技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多新的技術(shù)設(shè)想和方案。波音公司的設(shè)計(jì)人員從中獨(dú)獨(dú)挑出“后掠機(jī)翼”這一項(xiàng)，及時(shí)捕捉到了它的技術(shù)潛力，并由此而中斷了已經(jīng)進(jìn)行多時(shí)的平直翼飛機(jī)計(jì)劃，中途轉(zhuǎn)軌換用了對(duì)原方案改動(dòng)極大的后掠翼布局，應(yīng)該說是具有相當(dāng)敏銳的判斷力的。他們迅速進(jìn)行了新的風(fēng)洞試驗(yàn)，證實(shí)了他們?cè)诘聡l(fā)現(xiàn)的后掠機(jī)翼的效能。但是空軍出于安全性和生存性的考慮，反對(duì)四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝在機(jī)身內(nèi)的布置，這樣就導(dǎo)致了6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)外掛在機(jī)翼下的“450號(hào)”方案。美國空軍在1945年10月批準(zhǔn)了這個(gè)方案，5個(gè)月后，訂貨了兩架原型機(jī)。

方案被批準(zhǔn)后兩年，1947年11月，第一架XB－47推出了西雅圖波音公司工廠的總裝廠房。當(dāng)時(shí)造成的轟動(dòng)，甚至超過了推出第一架大型轟炸機(jī)B－29“空中堡壘”的時(shí)候。因?yàn)樵赬B－47上匯聚了很多新的設(shè)計(jì)思想，使它具有了與常規(guī)飛機(jī)有很大不同的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，是第一架使用后掠翼的大型飛機(jī)。并從此奠定了大型噴氣飛機(jī)的布局特點(diǎn)。此后，B－47至少有10種改型，共生產(chǎn)了2000余架。

綿綿不絕的后來影響

B－47的意義，還不僅僅限于該機(jī)型本身。因?yàn)锽－47的后掠翼布局，以后也被更大的B－52噴氣轟炸機(jī)所繼承。波音公司更進(jìn)一步又在B－52的基礎(chǔ)上成功發(fā)展了第一種噴氣客機(jī)波音707，然后又從707放大而得到20世紀(jì)最大的客機(jī)波音747。雖然在這一系列飛機(jī)的每種型號(hào)上，都有各自獨(dú)特的設(shè)計(jì)問題分別得到了不同的解決，但總體上看，上述發(fā)展的脈胳還是很清晰的。

航空技術(shù)的發(fā)展，本身是一個(gè)有著繼承性的漸變、但也包含有階段性突變的過程。大型噴氣飛機(jī)從平直機(jī)翼到后掠機(jī)翼的突變，雖出現(xiàn)在B－47上，但發(fā)生在一封緊急電報(bào)的通知中。

厚積然后可以薄發(fā)難以擺脫的傳統(tǒng)

1946年7月，波音公司得到一項(xiàng)遠(yuǎn)程重轟炸機(jī)（命名為XB－52）的研究合同。

當(dāng)時(shí)波音公司正在研制自己的第一種后掠機(jī)翼的噴氣轟炸機(jī)B－47。設(shè)計(jì)師們正在蘊(yùn)釀方案，但沒有能擺脫傳統(tǒng)技術(shù)思想的束縛，初期向空軍提出的“462型”方案，是一種平直機(jī)翼的轟炸機(jī)，動(dòng)力裝置使用6臺(tái)5500馬力的萊特T－35渦槳式發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)方案的結(jié)果是飛機(jī)航程不足。波音又提出一個(gè)修改的設(shè)計(jì)，使用四臺(tái)經(jīng)改進(jìn)的T－35發(fā)動(dòng)機(jī)（8900馬力），空軍接受了這個(gè)方案。

與此同時(shí)，波音公司出資對(duì)具有同樣飛行任務(wù)的另一種純噴氣轟炸機(jī)方案進(jìn)行了研究，并使用了當(dāng)時(shí)普惠公司正在研制的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

1948年10月，波音公司派出了一個(gè)高層設(shè)計(jì)師組去萊特空軍基地，與空軍討論渦槳式方案的最后細(xì)節(jié)?？哲娬f，他們研究的結(jié)果認(rèn)為渦槳式的方案不能完成指定的飛行任務(wù)，方案將被撤銷。當(dāng)時(shí)后掠翼的B－47已經(jīng)試飛，其性能使很多人驚訝，空軍對(duì)后掠翼噴氣式轟炸機(jī)印象深刻，因此對(duì)使用普惠J75噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轟炸機(jī)很有興趣，詢問波音在這個(gè)方面是否能作些什么。

波音公司的設(shè)計(jì)師們聽到這個(gè)信息后，一方面對(duì)他們的渦槳方案被淘汰感到沮喪，另一方面對(duì)空軍需要純噴氣的后掠式轟炸機(jī)大為興奮。幸好他們事前已經(jīng)自費(fèi)對(duì)噴氣式大型轟炸機(jī)作過預(yù)研，他們覺得為滿足空軍新的需要，可以一搏。

周末突擊加班加點(diǎn)

以后幾天內(nèi)所發(fā)生的事情簡直像小說里的故事一樣。

波音公司的高層設(shè)計(jì)師把空軍提出新要求的文件，帶回了他們居住的代頓旅店，以便進(jìn)行詳細(xì)研究。

能夠提出新飛機(jī)方案，要?dú)w功于波音公司事先對(duì)噴氣重型轟炸機(jī)作過預(yù)研。厚積才能薄發(fā)，有了這樣的基礎(chǔ)，他們覺得可以在短時(shí)間內(nèi)突擊出一個(gè)新的飛機(jī)方案來。

第二天是星期五，早晨他們便打電話給萊特基地的工程部軍官，說下周 一波音公司就可以提出一個(gè)全新的方案。

從星期五直到星期日，6名設(shè)計(jì)師連續(xù)緊張加班，他們使用記憶中的那些最新研究結(jié)果，以及他們帶到代頓來的手提箱里裝著的一些內(nèi)部研究的補(bǔ)充資料，作出了一種裝有8臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、具有后掠機(jī)翼的重型轟炸機(jī)的初步設(shè)計(jì)，并整理出了說明文件。不僅如此，他們還用從當(dāng)?shù)匾患液侥酆谜呱痰曩I來的輕木，請(qǐng)一位工程師在旅店里當(dāng)場削制出了這種飛機(jī)的外形模型。按預(yù)定的承諾時(shí)間，他們?cè)谥芤粚⑿略O(shè)計(jì)的飛機(jī)資料模型和說明文件一并提交給了空軍。

兩天多突擊出的新機(jī)方案還帶有一個(gè)飛機(jī)模型，不但給空軍有關(guān)人員留下深刻的印象，而且也成為航空史上一段佳話。

他們提出的新方案被批準(zhǔn)進(jìn)行更進(jìn)一步細(xì)致的研究，方案名稱仍然叫做XB－52。

倉促并不一定意味著草率

波音公司研究的新飛機(jī)方案初步設(shè)計(jì)成立，空軍提出訂貨兩架原型機(jī)。其中第一架于1951年11月推出了總裝廠房。由于設(shè)計(jì)研究及風(fēng)洞試驗(yàn)已經(jīng)非常有力地說明飛機(jī)的性能將是很優(yōu)越的，使得空軍在首架試飛前一年多的1951年3月就給波音公司寫了一封信，從此，波音公司便開始了B－52的生產(chǎn)工藝裝備制造。

后來，B－52共制造了744架，先后有8種主要改型，連續(xù)為美國空軍服役了半個(gè)多世紀(jì)，在20世紀(jì)中成為美國戰(zhàn)略空軍的主力，并一直沿用到21世紀(jì)。這樣一架大型的飛機(jī)，又取得了重大的使用成果，其方案卻是一個(gè)周末突擊出來的，成為航空史上一個(gè)有趣的軼事。這并不是飛機(jī)方案草率形成的例證，而是說明有豐富的技術(shù)積累之后，對(duì)于胸有成竹的設(shè)計(jì)人員，即便需要提出重大的設(shè)計(jì)方案，也并不是高不可攀的難事。

責(zé)任編輯：京勉■