程昭武

“彗星”之謎

1949年7月27日，英國首先試飛成功第一代噴氣式民航客機“彗星”號。 不過，在1953年5月2日至1954年4月8日之間，投入使用的“彗星”飛機接連發(fā)生飛行事故。其中一架在印度加爾各答起飛后墜毀；另外兩架在地中海上空飛行時神秘失蹤，當時被稱為“彗星”之謎。后來經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：噴氣式客機的密封機艙在飛行高度變化時，不斷地受到增壓和減壓，而產(chǎn)生金屬材料疲勞效應，最終導致空中解體。

在此期間之內(nèi)，蘇聯(lián)研制的第一代噴氣式客機圖-104型于1956年9月15日搶先投入航班。隨后，美國的波音707、道格拉斯DC-8和法國的“快帆”等第一代噴氣式客機也陸續(xù)投入使用。這些飛機都采用后掠機翼和渦輪噴氣式發(fā)動機。

談到后掠機翼的采用，有一段插曲。1945年，第二次世界大戰(zhàn)剛結(jié)束時，馮·卡門（Theodore von karman）曾帶領(lǐng)美國的科學家到德國布倫瑞克的福爾肯羅達實驗室考察。他們在那里發(fā)現(xiàn)一架后掠機翼飛機的風洞試驗模型和有關(guān)高馬赫數(shù)（M數(shù)）的吹風數(shù)據(jù)記錄。據(jù)說，考察隊中波音公司技術(shù)負責人喬治·謝勒（George Schairer）見到那些實驗數(shù)據(jù)后，立即打電報回美國，要求停止轟炸機的設(shè)計。隨后，在1948年，美國的第一種采用后掠翼的噴氣式轟炸機（也是世界上第一種噴氣式遠程轟炸機）B-47型飛機投入了生產(chǎn)。

如果從當年的B-47轟炸機起，到后來波音公司生產(chǎn)的B-52型轟炸機、波音707和波音777等一系列高亞音速噴氣式客機相比較，可以發(fā)現(xiàn)，它們的氣動布局是一脈相承的。

1952年，波音公司開始自行投資研制波音367-80型四發(fā)后掠翼噴氣式飛機。1954年7月15日該機首飛成功后，相繼發(fā)展成為KC-135型軍用空中加油機和波音707型民航客機。這種飛機吸取了B-47和B-52等型轟炸機在結(jié)構(gòu)和氣動布局上的成熟經(jīng)驗。民用型波音707飛機比同一代的其它噴氣式民航機有更強的生命力。

“三叉戟”和“文豪”

1957年，英國的德·哈維蘭飛機公司開始設(shè)計第二代噴氣式客機D. H. 121“三叉戟”型飛機。這種飛機的機翼是根據(jù)當時先進的空氣動力學理論設(shè)計的，如采用最佳巡航速度（M 0.88）的尖峰翼型和沿翼展采用相對厚度變化的翼型等；在機翼根部裝有克魯格前緣襟翼，可以大大推遲氣流分離。它的總體布局也很新穎，三臺渦輪風扇發(fā)動機均裝在機身尾部。這樣的布局不僅外形優(yōu)美，而且機艙內(nèi)噪音水平很低，使乘客感覺舒適。渦輪風扇式發(fā)動機有內(nèi)外兩個涵道，外涵道由風扇提供比內(nèi)涵道噴流速度低的冷氣流，從而在高亞音速的飛行范圍內(nèi)比渦輪噴氣式發(fā)動機有更好的經(jīng)濟性。“三叉戟”飛機使用的羅耳斯·羅伊斯公司的斯貝RB-163型發(fā)動機屬于低涵道比渦輪風扇式發(fā)動機。

“三叉戟”飛機于1964年春加入航班后，被認為是當時比較經(jīng)濟和安全的民航客機，受到用戶的歡迎。我國民航和空軍從1970年起引進了一批這種型號的飛機，現(xiàn)已全部退役。1971年“9.13”事件中，林彪出逃時乘坐的是“三叉戟”1E型飛機，當時墜毀于蒙古人民共和國的溫都爾汗地區(qū)。

1967年3月10日，前蘇聯(lián)的伊留申設(shè)計局研制的伊爾-62型噴氣式客機也開始投入使用。它裝有4臺橫排在機尾兩側(cè)的渦輪風扇式發(fā)動機；水平尾翼安裝于垂直尾翼的頂端。北約組織給它取名為“文豪”，與它典雅大方的造型相當貼切。

我國人民解放軍空軍于1972年引進4架伊爾-62型飛機，作為專機使用，后轉(zhuǎn)交中國民航，于1988年退役。

1974年4月6日，中國民航的伊爾-62型飛機機組曾負責送鄧小平率領(lǐng)的中國代表團出席聯(lián)合國大會第六屆特別會議。當月10日，鄧小平同志在大會上闡述了關(guān)于“三個世界”的理論。

屬于第二代的噴氣式客機的還有英國的VC-10、美國的DC-9和波音727/737以及前蘇聯(lián)的圖-154等。它們都裝有低涵道比的渦輪風扇發(fā)動機，并在機翼上采用新的翼型和先進的增升裝置，借以改善高、低速飛行的特性。

寬體“巨人”

1965年，在英國倫敦召開的西歐民航會議上，與會各民航公司根據(jù)西歐航空客運特點，提出在20世紀70年代需要一種——中短程、載客多（200人）、寬機身（每排6至9個座位）、速度快（高亞音速）和起降距離短的民航客機。1966年底，英國的霍克·西德利航空公司、法國的南方航空公司和聯(lián)邦德國的空中客車公司決定按上述要求，合作研制一種新型的中短程、大載客量的渦輪風扇式客機，取名為A300型。

1972年10月，A300的原型機首次試飛，1974年5月開始交付使用。這種飛機裝有兩臺推力各為249千牛的高涵道比發(fā)動機。因為它適合歐洲各國國內(nèi)航線的需要，所以受到許多民航公司的歡迎。到1993年5月31日止，各型A300飛機已收到訂貨481架。此后，空中客車工業(yè)公司相繼研制了A310、A320、A330和A340。該公司從1990年起開始盈利。到1994年，收到的飛機訂貨量首次超過美國的波音公司。1999年，各型空中客車飛機的銷售額翻了一番，已占據(jù)世界民用客機市場的一半。

就在策劃發(fā)展A300型飛機的倫敦會議召開的同時，1965年8月，波音公司在戰(zhàn)略軍用運輸機（C-54）的競標中失敗后，立即轉(zhuǎn)為開發(fā)寬機身遠程客機——波音747型飛機。這種飛機于1969年2月9日首飛，1970年2月22日投入航線使用。它設(shè)有雙層客艙，裝有4臺高涵道比的渦輪風扇式發(fā)動機，機翼上裝有3開縫后緣襟翼等高效增升裝置，可載客500人，最大起飛重量超過350噸。這種飛機在國際航線上被廣泛地采用。

20世紀70年代出現(xiàn)的第三代噴氣式客機除前面提到的A300、波音747之外，還有前蘇聯(lián)生產(chǎn)的伊爾-86和美國生產(chǎn)的DC-10等。它們的座艙設(shè)備已開始采用數(shù)字化、綜合化電子顯示技術(shù)。

國外把這一代寬機身大型客機稱為“巨人”（giant）飛機。各個時代，有不同標準的“巨人”飛機。第一次世界大戰(zhàn)前，俄羅斯生產(chǎn)的“俄羅斯勇士”號，裝有4臺各100馬力的活塞式發(fā)動機，最多可以載16名乘客，機內(nèi)設(shè)有洗手間，機身上有旅客散步甲板，機頭上有了望臺和探照燈，機組乘員首次采用4人制。第一次世界大戰(zhàn)后，由法國生產(chǎn)的“哥利亞”型轟炸機改裝而成的旅客機，可載客12至20人，它的機型名稱來源于《圣經(jīng)》中被大衛(wèi)殺死的非利士巨人的名字。第二次世界大戰(zhàn)前德國容克斯公司生產(chǎn)的G-38型客機，全重20噸，發(fā)動機總功率為2400馬力，主起落架上裝有串置小車式機輪。在這一期間，法國生產(chǎn)了“拉蒂高埃爾”521型水上飛機，重35噸，設(shè)有雙層座艙，可載客70人。美國的波音B-314“快船”型水上飛機是當時最大和最豪華的越洋航線客機。第二次世界大戰(zhàn)之后，英國生產(chǎn)了當時世界上最大的“布拉巴宗”型旅客機，它的翼展為70.1米，裝有4臺的渦輪螺旋槳式發(fā)動機，單臺功率為5000馬力。

以上這些“巨人”飛機都是當時最雄心勃勃的設(shè)計。那么，在新世紀之初，又有什么樣的新型“巨人”飛機正在被構(gòu)思呢？

1994年6月初，歐洲空中客車工業(yè)公司開始研制可以載客530至850人的A3XX型超大型寬體客機。2000年12月19日，空中客車集團總部宣布：A3XX系列中的A380型巨型客機將正式投產(chǎn)。這種飛機的機艙，從頭至尾都是雙層的——A380中的8字就是雙層的象征。它將能載客480至650人，最多可載800人。其基本型A380-100可載555人。它的翼展為79.8米，機長73米，機翼面積為817平方米，總重275噸。巡航速度為1020公里/小時，最大航程為14200公里，續(xù)航時間為15小時。據(jù)描述，乘坐這種飛機旅行是非常舒適的。它的機艙通道非常寬敞，座位的間距也被加大，使乘客可以舒展四肢；機艙內(nèi)設(shè)有酒吧、俱樂部、健身房、淋浴室和小型辦公室。這種飛機將在2004年首飛，2006年正式投入航班。

空中客車工業(yè)公司預測，未來20年內(nèi)，世界航空市場需要巨型客機為1500架，其中一半主顧來自亞太地區(qū)。中國的航空公司在這方面需求的增長率將創(chuàng)世界之最。預計到2009年，中國大陸和香港的航空公司將訂購36架巨型客機，到2019年為160架。

為了和空中客車集團競爭，美國于2001年提出了研制一種能載客800人的超大型翼身融合體飛機計劃。這種飛機有兩個客艙是設(shè)在機翼內(nèi)部的。這些艙內(nèi)的乘客不便于從窗口觀看機外景色，但在他們的每個座位前面都裝有顯示屏，借以消除寂寞。而且在機翼前后設(shè)有緊急出口，在危難時刻更便于逃生。據(jù)稱，新的波音型飛機的飛行速度和波音747-400型一樣，但燃油節(jié)省1/4，噪音水平也比較低。這種相當于飛翼（全翼）式飛機的方案，最大的技術(shù)難點是很難在機翼（機身）上采取增升措施——因為無法用常規(guī)的方式配平。

智能化飛機

20世紀70年代，世界范圍內(nèi)石油價格高漲，而在航空運輸?shù)闹苯邮褂贸杀局?，燃油消耗?0%。所以在80年代出現(xiàn)的第四代民航客機，如空中客車的A310、俄羅斯的伊爾-96和圖-204以及美國的MD-11和波音757/767等，它們都是在提高飛機的經(jīng)濟性上下了不少功夫。在這方面所采取的技術(shù)措施主要有如下幾點：擴大翼展，增設(shè)翼梢小翼，提高飛機的升阻比；采用增大相對厚度的超臨界翼型——這種翼型與傳統(tǒng)的翼型相反，它是上表面比較平直，而下表面比較彎曲，可使激波的產(chǎn)生推遲，從而減小了高亞音速飛行時的阻力；安裝經(jīng)濟性更好的高涵道比渦輪風扇發(fā)動機；這一代飛機在座艙里開始使用陰極射線管顯示器；航行電子設(shè)備采用總線技術(shù)；更為重要的技術(shù)革新是它們都采用了電傳操縱系統(tǒng)——這不僅可以減輕飛機重量，而且也為實現(xiàn)主動控制技術(shù)打下了基礎(chǔ)。

波音767型雙發(fā)寬體中遠程客機，除了沒有在機翼上設(shè)置翼梢小翼（在波音747-400型上曾采用這種技術(shù)）之外，其它方面都是這一代飛機的領(lǐng)先者。它采用了最先進的自動飛行狀態(tài)控制系統(tǒng)，可以保證飛行參數(shù)（如高度、速度和油門等）始終處于最佳經(jīng)濟巡航狀態(tài)。它的發(fā)動機數(shù)據(jù)顯示器和警告系統(tǒng)，對發(fā)動機的工作狀態(tài)進行全面的自動監(jiān)控，數(shù)據(jù)顯示完全數(shù)字化，發(fā)現(xiàn)故障立即發(fā)出警告。

1990年6月8日至9日，一架由文萊航空公司訂購的波音767-200ER型客機，在交付時，從西雅圖經(jīng)華盛頓，最后降落于肯尼亞的內(nèi)羅畢，創(chuàng)雙發(fā)噴氣式民航機交付轉(zhuǎn)場飛行的最遠紀錄。這一航線全長14890公里，飛行時間18小時29分，消耗燃油75.39噸。

關(guān)于波音767型飛機的另一趣聞發(fā)生在塞舌爾共和國。這個只有六七萬人的國家，也買了一架可進行洲際航行的波音767-200ER型民航機，用以執(zhí)行這個非洲島國與法蘭克福、吉隆坡、倫敦、毛里求斯、巴黎和羅馬之間的航班任務。這架飛機價值6500萬美元，平均該國每人（包括小孩）要負擔930美元。

為了與空中客車工業(yè)公司的A330/340新一代的寬機身、大載客量、高度自動化和智能化的民航機競爭，波音公司于1989年12月8日公布了波音777型雙發(fā)遠程寬體客機的設(shè)計要點。最初這一型號被稱為波音767-X，說明它是從波音767基礎(chǔ)上改進而來的，但它采用了很多新的技術(shù)，使之成為第五代噴氣式客機的典型代表。

和其它同代飛機一樣，波音777飛機采用了數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)和放寬靜安定度技術(shù)——降低了飛機重量和飛行阻力。在波音777型客機的駕駛艙內(nèi)，看不到眾多的傳統(tǒng)飛行儀表。在它的儀表板上，只有5個相當于18寸彩電屏幕那樣大的彩色液晶平板顯示器，其中兩個顯示飛行基本數(shù)據(jù)，兩個顯示領(lǐng)航條件，另有一個顯示發(fā)動機工作情況和飛行員的指令。高度自動化的座艙設(shè)備，不僅具有對飛機故障的隔離和自檢能力，同時也大大減輕了駕駛員的工作強度。

為了提高飛機信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度和抗干擾能力，波音777型飛機上的所有電子設(shè)備均連接在由兩根導線擰成一股的數(shù)據(jù)總線上，使導線束減少到400根，導線接頭減少到1580個，導線長度減少到48000米，導線重量減少到658公斤，從而也加強了電子設(shè)備的可靠性和維護性。

波音777-200-IGW（增重）型客機裝有2臺推力各為400千牛的渦輪風扇發(fā)動機，是當今世界上機體最大、電子設(shè)備最先進和發(fā)動機推力最大的雙發(fā)噴氣式民航客機。首架波音777型飛機于1994年6月12日首飛。1995年5月15日，該型飛機開始交付使用。它的單價是1.06億至1.29億美元，而1927年波音公司生產(chǎn)的第一種民航客機波音40A型飛機的單價是24500美元。僅從單機價格這一項，也可從一側(cè)面看出民航飛機迅猛發(fā)展。

波音777型飛機是世界上第一種完全采用三維計算機輔助設(shè)計手段進行設(shè)計和預裝配的噴氣式客機。它沒有制造代價昂貴的全尺寸樣機，但設(shè)計、制造和安裝精度都顯著提高。第一次應用這種先進設(shè)計方法的是空中客車A320型飛機，當時稱這種設(shè)計方法為“無圖紙設(shè)計”，但波音777型飛機較之更為徹底。

2002年4月9日，一架屬于新一代客機的A340-600型飛機從香港飛抵上海，是該型飛機首次在我國亮相。這架飛機長74.8米，是迄今世界上最長的客機。

超音速客機

1954的10月6日，英國費爾雷公司制造的德爾他2（FD.2）型研究機首次試飛。它裝有一臺推力為53.4千牛的渦噴式發(fā)動機，采用無尾三角翼布局。第二架FD.2型飛機改裝一臺推力為57.8千牛發(fā)動機，于1956年3月10日創(chuàng)造了1846公里/小時的飛行速度世界紀錄。此后，在它的機身上換裝了一種獨特的尖拱型狹長機翼，成為BAC221型研究機，并在飛行中達到了2333公里/小時的速度。后來的“協(xié)和”號超音速旅客機，就是利用這種外形的機翼，才獲得了良好的巡航升阻比和理想的起降滑跑距離。

1956年，英、法兩國開始論證超音速客機的設(shè)計方案。1961年，兩國簽訂合作研制的協(xié)議。1965年4月，開始制造第一架原型機。1969年3月2日，第一架命名為“協(xié)和”號的001號原型機首次試飛。早它兩個月的1968年12月31日，前蘇聯(lián)的圖-144型超音速客機已經(jīng)首飛成功了。

“協(xié)和”號飛機的最大巡航速度為M2.04。1976年1月正式投入使用。因其燃油消耗率大和噪音水平過高而于1979年停產(chǎn)，只生產(chǎn)了16架。

圖-144型飛機的最大巡航速度是M2.35。1975年12月首先投入國內(nèi)貨運飛行，1977年11月投入客運飛行。為了縮短起降滑跑距離，生產(chǎn)型圖-144飛機的機頭兩側(cè)安裝了可伸縮前翼。1973年5月，在巴黎國際航展上，一架生產(chǎn)型圖-144飛機，在著陸復飛過程中解體，機上人員全部遇難。1980年底該機宣告停產(chǎn)，總共只生產(chǎn)了13架飛機。

1995年10月9日和10月12日，英國航空公司和法國航空公司的兩架“協(xié)和”號飛機，先后飛抵北京首都機場，對我國進行首次訪問。當年8月16日，一架法航的“協(xié)和”號飛機，創(chuàng)造了以31小時27分49秒的時間，完成環(huán)球飛行的新紀錄。

2000年7月25日，在法國戴高樂機場，一架“協(xié)和”號飛機在起飛滑跑時，機輪被跑道上的不明金屬薄片割傷，爆破的輪胎擊中發(fā)動機的輸油導管，引起飛機失火墜毀。此事曾轟動一時，“協(xié)和”號也一度被迫停飛檢查。現(xiàn)已恢復飛行。

盡管困難重重，但超音速客機必將得到發(fā)展，因為乘坐飛機就是為了追求速度。據(jù)日本《每日新聞》2002年4月8日報道：日本從1997年至2005年，一直在進行無人駕駛的實驗機的試飛，所獲得的資料將被用于下一代載客300人的超音速客機的設(shè)計。預計這種飛機從東京飛到洛杉磯只需5小時就可以了。

美國《航空周刊》上報道：美國能源部國家實驗室已經(jīng)完成一種速度達M10的高超音速飛機的設(shè)計。它將能在2小時內(nèi)，從美國飛到地球上任何地方。不過，預計于2006年投入使用的波音“音速巡航機”型鴨式布局客機，速度不是很快，只能作近音速飛行。

速度超過M5的飛行被稱為高超音速飛行。20世紀80年代以來，美國出現(xiàn)的X系列研究機，如X-30、X-33、X-34、X-37、X-38、X-40和X-43等都是用于研究高超音速飛行的。它們的研究成果將會應用于空天飛機（既能在大氣層中飛行，也能在80公里高度以外的空間航行，現(xiàn)在常稱為航天飛機）的設(shè)計。自然，這些技術(shù)儲備，終有一天，也會被各種高超音速客機所采用。

在形形色色的高超音速飛機的氣動布局方案中，有一種機翼與機身融為一體的“升力體”方案。美國在20世紀50年代提出的X-20和60年代提出的X-23、X-24（包括M2和HL-10）等研究機計劃，都反映了這種設(shè)計思想。若從空天飛機從空間返回大氣階段的飛行考慮，這種飛機外形是最合理的。因為它有較好的結(jié)構(gòu)強度和較高的承受氣動加熱的能力。但是，它在低速飛行時，升力系數(shù)和升阻比很低，而且橫側(cè)安定性和操縱性也不好。一般的低速飛機的升阻比大約是12至14，而它們的升阻比只有2。不過，今后的飛機若不單純地靠空氣動力提供升力，而是部分或全部地采用動力裝置提供升力（動力升力）的話，“升力體”方案就很有希望了。

為了協(xié)調(diào)高超音速飛機在高、低速飛行范圍之間的矛盾，還有一種非常有趣的設(shè)計方案，叫作“斜飛翼”式飛機。它的外形像中浪的滑板，在低速飛行時，它橫著前進，有較大的展弦比、相應的高升力系數(shù)和升阻比；而高速飛行時，它又改為以一側(cè)的翼尖朝前飛行，從而減少超音速飛行時的阻力。（全文完）

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