前言人类自远古以来就有飞天的梦想,关于飞行的许多探索和实验都是从模仿飞鸟的飞行开始的。中国古代出现的风筝是对飞行的早期探索，而中国古代的玩具“竹蜻蜒”和意大利人达·芬奇的酷似现代直升机的画作，又满足了人们对于原地腾空而起的遐想。

年12月17日，航空业的先驱者——莱特兄弟，驾驶自行研制的固定翼飞机“飞行者一号”实现了人类历史上首次重于空气的航空器持续且受控的动力飞行。从此，飞行器的发展一发不可收拾，从全木制、桥梁衍架式双机翼结构到今天全金属、悬臂式单机翼、庞大机身的精密结构，翼身融合体、超临界机翼、翼梢小翼，无数锦上添花的亮点装扮着越来越先进的飞机，我们重新梳理了飞机的结构发展，将分期介绍飞机结构的发展史，相信，我们会对飞机有一个新的认识。

莱特兄弟与“飞行者一号”

莱特兄弟早年经营他们的店铺时时常与印刷机、自行车、汽车和其他机械打交道，这为他们在机械方面的技术打下了坚实的基础，也影响了他们应对飞行问题时的解决思路。

奥维尔?莱特（左）和威尔伯?莱特（右）

莱特兄弟在平时就一直注意收集其他航空先驱的事迹和成果，他们认为困扰航空先驱们的飞行难题有三点，机翼、发动机，以及如何控制飞机，而且如何解决控制飞机的问题尤为困难和重要。

“飞行者”的设计基础来自之前莱特兄弟的一系列滑翔机，通过观察，他们认为鸟类是通过改变翅膀后端羽毛角度来控制飞行方向变化的，威尔伯在自行车店里玩包装纸盒时突发奇想的想出了“翘曲机翼”技术。

翘曲机翼的原理是当一侧的机翼翘曲和扭转的时候，它会得到更多的升力而升高，并让机身朝机翼较低的一侧转向。通过风筝和滑翔机试验，他们证实了翘曲机翼的可行性并发现了以往理论中空气压力系数的错误。

在莱特兄弟的不懈努力下，三轴姿态控制一步步演化成形：用机翼翘曲控制侧倾，前置升降舵控制俯仰，尾舵控制偏航。

飞行者一号的诞生

年，莱特兄弟选择用高强度的轻质木材云杉木来制造他们装备动力系统的“飞行者一号”。他们在自行车店里自主设计和制作出了螺旋桨。通过不断的测试和分析，他们最终做出来的是二叶式螺旋桨，使用三层云杉木薄片压制而成。根据现代的风洞测试，他们的螺旋桨在当时首飞时就能够达到75%的效率。

发动机同样也是问题，莱特兄弟致信多家发动机制造商寻求合作，但没有一家能提供符合他们重量要求的轻巧的发动机，于是他们找来自己店里的机械师查理-泰勒来打造发动机，六周后泰勒就把发动机造好了，为了减轻重量，发动机采用了铝铸缸体，这在当时非常罕见。这台原始的燃油喷射发动机没有配备化油器和燃油泵，油箱被安放在机翼梁柱上汽油依靠重力供给发动机。

最终，莱特兄弟以美元左右的成本，制造出了一架翼展12米，重公斤，配备12匹马力发动机的飞机，这就是“飞行者一号”。

创造历史

莱特兄弟选择北卡罗来纳州的小鹰镇进行飞行测试。

年12月14日，兄弟二人通过掷硬币的方式来决定谁来驾驶试飞，结果威尔伯获胜，可由于气象条件不佳，飞机只飞行了3秒便坠地，还造成了一些轻微损伤。之后的几天莱特兄弟为受损的飞行者一号进行了检修。

年12月17日，在除莱特兄弟外5个人的见证下，铭刻历史的时刻终于来临，43公里每小时的刺骨寒风中，飞行者一号成功起飞，这次的驾驶员是奥维尔，他以10.9千米每小时的速度，飞行了12秒，飞行距离36.5米，最高飞行高度为3米。

自此，人类真正开始了征服天空的征程。

在“飞行者”飞行成功后，莱特兄弟回到家中开始进行一系列的改进，以改善性能、操控和稳定性。年制造出的“飞行者二号”外观大小和“飞行者一号”大致相同，但换装了15马力的新发动机。莱特兄弟以这架飞机进行了大约80次的短时间飞行，练习动力飞行的控制及飞行动作。

“飞行者三号”现代复刻机

　　年制造出来的“飞行者三号”时速64.82公里，是第一架真正的全动力飞机，其基本外型和前两架相同，也沿用“飞行者二号”的发动机，但机身较长控制面也较大。和前两架不同的是这是一架可完全操控的飞机，很容易侧倾、转弯、或做8字型的飞行动作。

年莱特兄弟制造的军用“飞行者”B飞机把升降舵移到后机身，以铰链式副翼取代扭转机翼，并增加轮子供飞机起降，飞行员和一名乘客可以坐在机翼的前端，不用俯卧了。

军用“飞行者”B已经很完善了

　　当时在美国和欧洲已经有许多人成功制造出飞行器，虽然外型千奇百怪，但双机翼构型被公认为世界设计标准，杉木成为标准结构材料，杉木夹板螺旋桨也随处可见。优质的杉木在早期供应充足，加工和修理都很容易，单位重量强度比铝好，因此没人考虑用铝。大家都以粗棉布覆盖在飞机外表，由于当时飞机的速度很慢，粗棉布承受气动力负载的情况良好，即使破裂也很容易修理。

莱特兄弟之后的多翼飞机

在上期我们介绍了莱特兄弟的“飞行者”双翼飞机，人们吸取桥梁建造方面的经验，把上下机翼通过支柱和张线联成一个桁架梁，增加结构受力刚度，以提高双翼机机翼强度，减轻结构重量，这些优点使双翼机成为早期飞机的主要型式。

在莱特兄弟之后很长一段时间里，双翼机都是飞机的标准设计，在这期间，单翼机的概念虽有萌芽，但是出于强度和耐用性的考虑，双翼机甚至三翼机依然是设计飞机的主流思想。在一战的空中战场，就是多翼机角逐厮杀的阵地。

?悬臂式机翼的萌芽

第一次世界大战期间的两大结构创新对后来的飞机设计产生了深远的影响，分别是悬臂式机翼（cantilvrwing）和硬壳式机身（monocoqufuslag）。悬臂式机翼是指不用撑捍或张线加强的机翼。它无支撑物地独立架设在机身侧面，基本架构仍是翼梁与翼肋，单凭主翼梁的强度就足以支撑机翼的飞行负载。

悬臂式机翼的主翼梁的强度足以支撑飞行负载

一战时第一架实际生产的悬臂式机翼战斗机，是当时由荷兰飞机设计师福克（AnthonyFokkr）为德国空军所制造的福克Dr-I三翼机，该机由福克雇用的德国技工R·普拉茨主持设计。

安东尼·福克

年出厂的福克Dr-I木制机翼上大胆摒弃了繁杂的张线结构，三翼的翼尖由一根薄而流线的垂直支撑条贯穿，用来控制某些飞行状况下飞机机翼的颤振，机翼的强度来自一根强壮的方型翼梁，大大减少了飞行阻力。由于普拉茨精通焊接，因此Dr-I的衍架式盒状机身就以焊接钢管取代了木条，但仍然保留交叉钢线。

机身则是焊接钢管和交叉钢线结构

值得一提的是，这种战斗机同时又是第一次世界大战时期世界头号空战王牌、个人战果高达80架的里希霍芬的最后座机--“红色男爵号”的同型机。由于翼展相对较窄的三层机翼飞机具有极佳的机动飞行性能，最适宜于与敌机进行近距离格斗，所以获得了许多艺高胆大的尖子飞行员的青睐。

Dr-I三翼机

莱因霍尔德·普拉茨

由普拉茨设计并于年服役的福克D.VII双翼机，把Dr-I的无拉力钢线、盒状翼梁、高升力机翼、交叉钢线金属焊接机身更为发扬光大，这两架飞机的特征都是外覆帆布，有着盒状翼梁的悬臂式机翼。而同年出现的被英国人称为“飞行剃刀”的机身纤细D.VIII单翼机，则有着后来成为标准设计的厚翼根、外覆三合板的机翼。

福克D.VII双翼机现代复刻机

单翼机的尝试

在飞机发展初期，发动机功率低、重量大，建造机体的材料大多是木材和蒙布。为解决升空问题，需要双翼机大面积的机翼，以便在低速条件下产生足够的升力。随着飞机速度的不断提高，双翼机支柱和张线的阻力越来越大，成为提高速度的主要障碍。高强度铝合金问世后，人们已有可能制造出结构重量不太大而又能承受大载荷的薄机翼。逐渐地，单翼机开始频频地出现在天空中。

单从结构设计概念讲，单翼飞机几乎和双翼或者三翼飞机是一起发明的，由路易·布莱里奥（LouisBlriot）和雷蒙·索尼耶（RaymondSaulnir）设计的布莱里奥十一型（BlriotModlXI）就是其中一个著名的例子。

路易·布莱里奥（左）和雷蒙·索尼耶（右）

布莱里奥十一型

这架飞机首飞于年1月，最高速度每小时87.04公里，安装一具25马力、3汽缸、气冷式星型发动机，衍架式木质机身的左右两侧局部覆盖着粗棉布。

布莱里奥十一型现代复刻机

从图中可以看出，布莱里奥十一型采用薄翼型设计，机翼弯曲弧度很大，翼梁和翼肋构成框架后，外表覆以粗棉布。由于翼梁强度不足以支撑整架飞机的负载，机翼上下用细钢丝牵引加强，亦称“张线”。

这样，飞行时，机翼外侧向上弯曲，下表面的钢线受到张力，降落瞬间或机动飞行时，机翼外表面在惯性力作用下向下弯曲，上表面的钢线受到张力。从机身向机翼引出的钢线虽然能分担机翼受到的垂直于翼梁的剪力，但是同时也会产生沿翼梁轴向的挤压力，对于木头翼梁来说，这在当时颇受 　　当机翼蒙皮采用可承力材料且和密集的翼梁、翼肋可靠连接时，结构形成一个整体，具有高的结构整体刚度和承载力，蒙皮可承受弯矩、压缩、拉伸负载，而不需翼梁的上下缘条这种应力蒙皮的设计方式成为20世纪30年代的标准，除了应用在诺斯洛普公司本身的飞机外，道格拉斯公司飞机和波音经过稍微修改后，都应用到各自的DC系列和B-飞机上。

去掉蒙皮的“阿尔法”机翼，取消了传统的盒形翼梁，用翼肋和多翼梁纵横交错，形成许多小腔室

B——具有现代意义的民航客机

　　第一架全金属，具备一切现代民航客机（除螺旋桨发动机外）特点的商用单翼机是年波音公司的单发邮政机，波音以这架飞机为基础在年为美国陆军航空部研制了双发动机轰炸机的原型机YB-9。

波音Monomail结构图

YB-9轰炸机

由于美国陆军未将YB-9投产，波音与它的商业伙伴联合航空经过慎重考虑后，在年以B-9构型为基础研制了体型稍小的商用机型，这就是于年2月首飞的B-。

波音是早期的美国民航飞机，是第一架完整纳入全金属的半硬壳结构，全悬臂机翼及可收放起落架等先进技术的飞机，其他先进技术包括控制面的调整片、自动导航系统、机翼及尾翼上的除冰器，这架飞机只凭一台发动机也能飞行和爬升。也就是说B-是第一架“现代化”的民航机，之后的每一种民航机都是在模仿它的特点。这架飞机虽然只能乘坐10名旅客，但飞行时速比福特的三引擎飞机还快，可在24小时内飞越美国本土，因此极富商业竞争力，广受各家航空公司的欢迎。

波音是划时代的民航机

DC-3——世界第一架能赚钱的客机

在波音大受欢迎，供不应求之际，道格拉斯公司乘势推出了DC系列飞机，年推出的DC-3成为了一个时代的经典。

DC-3能载客30人，只需在中途一次加油便能横越美国东西岸，再加上首次在飞机上出现的空中厨房，以及能在机舱设置床位，为商业飞行带来了革命性的突破。在此之前，所有航班都不提供热餐服务，乘客及机员如要用餐，只能在中途站所在的酒店享用，一旦在一些地区没有酒店，相当不便。

　　DC-3的性能、有效载荷、坚固性使得航空公司真正开始能从民航运输中赚取利润，因此到了年就成为全世界航空运输业使用最多的飞机。DC-3是第一架能通过运送旅客及货物，不需政府补贴就能赚钱的民航机，共生产了1万3,多架，是全世界到目前为止单一机型生产量最多的飞机，其中大多数是军用型的C-47。

DC-3是第一架能赚钱的民航机

DC-3划时代的成功，归功于同时采用了可收放式起落架、NACA设计的发动机罩、襟翼（B-没有襟翼）、高效率增压发动机、变距螺旋桨等先进技术。DC-3机翼内有三根主梁而非常见的两根，增加了机翼的耐用度，使得飞机结构具有安全性损坏特性，疲劳寿命很长。

DC-3具备了一切铝合金半硬壳结构的特点：成形后的铝蒙皮以铆钉和机体、纵梁、翼肋、翼梁、加强条、成形条相互铆接。现今最新式的C-17“环球霸王”运输机，翼展50.29米，最大起飞总重吨，但机翼结构却和翼展28.96米，最大起飞总重11吨的DC-3基本一样，都是三翼梁、多翼肋、应力蒙皮的设计。可以这么说：DC-3之后的飞机和DC-3之间只有细节的差异，基本设计理念没什么不同。

DC-3的三翼梁机翼

“蚊”式轰炸机——优雅的木头飞机

时间来到年，当时飞机的设计思想几乎无一例外是金属材料半硬壳机身，当年11月，一种时速公里、双发上单翼的全木制战斗轰炸机首飞，这就是当时颇富盛名的英国“蚊”式飞机。蚊式轰炸机的主要结构均为木质，因此身轻如燕，不仅性能优良、速度快，而且价格低廉、节省原料，迅速成为一种颇具特色的杰出机型。纳粹德国空军元帅戈林在德国空军部的一次讲话中说：“英国人能够得到比我们多得多的铝材，却发展了这样一种优雅的木头飞机，连英国的钢琴厂都能大批制造，而且速度如此之快……”

“蚊式”（Mosquito）飞机采用一种少见的木质结构--“模压胶合成型木结构”。年美国诺斯若普公司在S-1双翼机上也采用这种结构。先用混凝土制造一个21英尺长的模具，然后将云杉木薄片涂上干酪胶后交替放置，盖上模具的盖子。此时，再向中间的橡胶气囊中充入压缩空气，待干酪胶固化后即形成一片木结构，将左右两片木结构对合，就成为木质胶合结构的机身。年8月，这种结构获得美国专利。由于生产成本低廉，S-1飞机被称为“穷人的双翼机”。

“蚊式”也是采用木制硬壳机身的，图中机身两侧的物体是制造左右硬壳的木模

“蚊”式在此结构基础上再进行改进，将木质胶合结构中间的木料改为一种轻质木材--巴尔沙木（Balsa，和中国的泡桐类似），木质结构重量进一步减少，强度有所增强。“蚊”式也成为最后一种生产型木制飞机。

H-——世界第一架涡轮喷气式飞机

亨克尔对26岁的欧海因说：从今天起，你被雇用了。我给你5万马克，你要在6个月内搞出一台喷气发动机来。年8月27日，德国飞机设计师亨克尔设计的H单翼机装有欧海因设计的世界首台涡轮喷气发动机HS3B，在德国著名飞行员瓦西茨的驾驶下升空，这架H采用硬壳式铝机身，木质机翼，飞行速度达到每小时千米。

从世界上第一架飞机诞生之日起，提高飞行速度、飞行高度和载重量就一直是人们研制新飞机所追逐的目标，但是到了20世纪30年代，飞机的速度一直徘徊在每小时千米左右，这差不多是装有活塞式发动机和螺旋桨的飞机的极限，用苏联著名飞机设计师雅科夫列夫的话说，已经到了“山穷水尽”的地步了。喷气时代的来临，使飞机的发展“柳暗花明”。喷气时代的标志，便是涡轮喷气式发动机作为新型动力装置的诞生。

涡轮喷气发动机的原理是：空气从飞机进气道进入发动机，先经压气机压缩后进入燃烧室与燃料混合燃烧；膨胀的燃气进入涡轮并推动其旋转，使与涡轮同轴的压气机工作；从涡轮流出的燃气经尾喷管膨胀后向后高速喷出，从而产生巨大的反作用力推动飞机前进。

弗兰克·惠特尔和他的离心式涡喷发动机设计

如此重大的航空发动机推进的变革，竟是德国人欧海因和英国人惠特尔在互不通信息的情况下，各自独立并几乎在同一时期完成的。这一点，恰恰证明了新技术出现的必然性。

无独有偶，冯·奥海因的第一个设计也是离心式的

M-——航空史上第一种投入实战的喷气机

　　全世界第一架喷气式战斗机是梅赛斯密特设计的M，于年进入德国空军服役。这种飞机的涡轮喷气发动机装在机翼上，时速超过公里，大大超过了最快的螺旋桨飞机。

双发、机翼发动机短舱的M

　　M是第一架后掠翼生产型战斗机，机翼后掠的目的是把超重的Jumo涡轮喷气发动机的重心后移，巧合的是后掠翼降低了高速时的阻力，但在当时人们不理解其原理何在。为了减少风阻，M的机翼很薄，虽然主起落架能放进翼根内，但机腹就得较宽以容纳轮胎，飞机的剖面就像鲨鱼一样，上窄下宽。早期的M原型机采用后三点式起落架，后来改为前三点式，机鼻有足够的空间来容纳轮子。

M服役一个月后格罗斯特飞机公司的“流星”（Mtor）战斗机也加入了英国皇家空军的行列。美国第一架喷气机是贝尔飞机公司的XP-59A，于年10月首飞，之后不久便被洛克希德P-80“流星”（ShootingStar）取代，P-80是美国第一种投入实战的喷气式战斗机。这几种飞机都采用涡轮喷气发动机，速度比螺旋桨飞机有了质的提升。

英国“流星”战斗机（上）和美国P-80“流星”战斗机（下）

F-86，米格-15——第一代战斗机的典型代表

早期的飞机一般都采用平直翼，但随着飞行速度的提高，飞机会在高速俯冲时因解体而坠毁。后来，科学家们发现飞行速度接近音速时，飞机会遇到极大的激波阻力。这时，飞机要么速度难以再提高，要么承受不住巨大的冲击力而粉身碎骨。为了克服和减小激波阻力，人们一改平直的机翼形状，提出了后掠翼设计方案。后掠翼可以推迟激波的到来，减弱阻力强度。

飞机的飞行速度接近音速时，进一步提高速度所遇到的障碍就是音障。空气是可以压缩的。飞机在飞行过程中，不断对空气产生新的扰动，这些扰动引起的压强变化会在飞机前方积累，从而导致空气密度发生变化。密度增加的幅度在不同的飞行速度下是不同的。在0.3倍音速以下，它的增加约在5%左右，因此可忽略不计。当速度进一步提高以至于接近音速时，由于飞机对前方空气扰动导致的压强变化会层层积累，于是在飞机前面，空气密度会急剧增大。而当飞机以音速飞行时，由于扰动的传播与飞机运动速度相同，这样每一个扰动相对飞机来说就不再向前传播，而是依次叠加在飞机头部，造成扰动波的集中，形成一个波面。这时飞机与前面的空气骤然相遇，引起剧烈的碰撞，空气遭到强烈的压缩，密度急剧增大，仿佛一面致密的空气墙壁挡在飞机的面前。这就是所谓的激波。空气在通过激波时，会产生一种特别的阻力，即激波阻力。

飞行速度在音速附近时，激波阻力最大，它可能消耗发动机全部功率的3/4，这时再提高飞行速度就十分困难。当飞机超过音速时，这些阻力便会大大衰减。为了突破音障，人们采取了后掠翼、面积律等先进的气动布局；同时喷气发动机的改进也获得了更大的推力。年，美国的X-1火箭飞机首次实现了超音速飞行。20世纪50年代初，美国、前苏联、英国等研制出了实用超音速战斗机。

在年罗马举办的一场高速空气动力学研讨会中，德国的布泽曼首先提出了后掠翼可降低风阻。年1月在NACA的兰利实验室，研究员琼斯在对布泽曼理论毫无所悉的情况下，在设计导弹过程中提出了“亚音速后掠”的理论，经过几个月的超音速风洞吹试，证实了此理论是正确的。

罗伯特·琼斯经过研究证明了布泽曼理论的正确性

后掠翼可以大大降低波阻

第二次世界大战快结束时，琼斯向主管建议：以后高速飞机都应该采用后掠翼。战后布泽曼携带丰富的后掠翼模型风洞数据来到美国，加入了兰利实验室团队，而这也立即影响到全世界第一架后掠翼喷气轰炸机——波音年推出的六发B-47“同温层喷气”，和北美公司F-86“佩刀”喷气式战斗机的设计，B-47和F-86的机翼都是后掠35度。苏联则根据缴获自德国人的资料，推出了后掠翼的米格-15，该机首飞于年12月，只比F-86慢了3个月。F-86和米格-15代表着第一代喷气式战斗机的诞生。后掠翼之父阿道夫·布泽曼，手持F-86模型

F-86是世界上第一架在俯冲时达到超音速的飞机，以及第一架可以携带空空导弹的战机。飞机设计之初便制定了很高的速度指标，采用更薄的机翼和更“瘦”的高细长比的机身以求提升速度，但经过实物模型的风动测试还是达不到公里的期望速度。

年5月德国投降后，美国急切渴望获得关于最新的德国喷气式战斗机的信息，以及其他德国秘密战时研究诸如喷气推进，火箭发动机和弹道导弹上的成果。军方从工业界和研究机构中挑选人员组成“寻宝队”前往被占德国领土研究缴获的资料，并制成微缩照片运回美国。

尽管德国关于后掠翼的研究仅仅停留在理论上，当时没有可以达到近音速的飞机。但是这些研究成果还是引起了绞尽脑汁想提高XP-86（F86的验证机）性能的北美工程师的注意。

在各国对喷气式飞机还没有具体概念的时候，德国航空工程师已用风洞测试过了人类所能设想的所有气动外形，甚至包括一些奇形怪状的布局，德国人发现后掠翼在马赫0.9时有极大的优势。平直翼飞机在近音速时会受到压缩效应的强烈冲击，后掠翼延迟了激波的产生，并且在超音速时产生的激波强度比平直翼小得多，使得高速操控性较好，但德国人也指出后掠翼会导致令人不快的翼尖失速，且低速稳定性不好。

为了弥补后掠翼的低速缺陷，北美工程师在机翼前缘安装了自动缝翼。缝翼完全自动控制，根据所受的气动力打开或者关闭。当缝翼向前滑动打开时，可以加速流经机翼上表面的气流速度，得以增加升力并减小失速速度，在高速时，缝翼自动关闭将阻力减到最小。F86还首次采用了全增压座舱和液压作动的副翼和升降舵，机翼是双层蒙皮结构，在机翼油箱外板与机翼蒙皮间填充了沿翼展方向的金属瓦楞结构。此结构代替了传统翼内油箱的翼肋和桁条结构，为机翼提供了足够强度的同时又不占用翼内油箱的容积。

北美公司的F-86佩刀毫无疑问是最伟大的战斗机之一，年佩刀进入美国陆军航空队服役，并在 中获得了相当的空中优势。 结束后，佩刀进入盟国空军服役，成许多西方国家的主要战斗机，并且在加拿大、日本、意大利和澳大利亚按许可证生产。佩刀同时也是一个长寿机种，最后一架服役中的F-86直到才退役（玻利维亚空军），可能创造了作战飞机的服役时间纪录。

在朝鲜战场上，F-86的空中对手是苏联的米格-15。米格-15是苏联第一种后掠翼喷气式飞机，已初具现代战斗机雏形。

米格-15采用机头进气，机身上方为水泡形座舱，内置弹射座椅。飞行中气流在机头由进气道内的隔板分为左右两股。机翼位于机身中部靠前，后掠角35度，带4枚翼刀，翼下可挂两只副油箱或炸弹。机翼穿透机身，与进气道内的隔板共同作用，将进气气流分为四股。在机翼前缘内放有一定量的铅，以降低机翼对扭曲刚性的要求。

米格-15三视图

米格-15一诞生，就遇上了 。刚上朝鲜战场的米格-15对美军的F-80、F-84等平直翼喷气战斗机占有很大的速度优势，对依然在服役的二战水平的螺旋桨战斗机更是可怕。年11月8日，四架F-80和7架米格-15打上了遭遇战，速度和火力占优的米格-15干脆利落地抢占高度，然后一个殷麦曼倒转，从太阳的方向俯冲而下，打下了一架F-80。这是历史上第一次喷气式战斗机之间的空战，以米格-15完胜告终。一时间，美国空军被打得一筹莫展，一直到更先进的F-86“佩刀”式战斗机加盟，才扭转颓局。F-86和米格-15的优劣是世界上争论了几十年的话题，一般认为F-86的水平机动性较好，米格-15的垂直机动性较好；米格-15的加速较快，但容易进入不稳定区；F-86的速度较快，液压操纵也使飞机的实际机动性较好。

米格-15和F-86这一对老冤家，现在时常在航展上同台献艺

在 中一炮打响的米格-15可能是苏联历史上最重要的战斗机了。尽管苏联战斗机在二战中取得了不俗的战绩，但在西方眼里，苏联依然只是一个二流国家，至少在先进的航空领域里无法和高贵的西方相提并论。米格-15在鸭绿江上空使美国空军在横扫欧洲后第一次遇到真正的挑战，使西方第一次认识到苏联作为一个超级大国的地位。从此，米格从二战前夕的一个小字辈一跃成为苏联的战斗机之王，米格的名字和最先进的苏联战斗机连在了一起，直到90年代苏-27异军突起。

F-，米格-21——第二代战斗机的代表

第一代超音速战斗机的性能仍然偏低，速度不够，升限、加速性、爬升率不够高，武器系统和机载设备相对简单，因而作战能力仍有很大不足。为此，50年代后期各国开始发展第二代超音速战斗机，强调所谓“高空高速”，在气动设计上这一代已过渡到头部尖锐、两侧进气，在机翼方面，除了增加后掠翼的角度以外，还发展了后掠三角翼，为改善低速性能有的采用了可变后掠翼。这一代飞机也开始采用较薄的超音速翼型。这种翼型前缘尖锐、上下对称，常见的有菱形翼型、六面形翼型、双凸翼型。为了达到高空高速的目的，发动机的加力燃烧室成为战斗机的必要装备，而另外一项关键性的突破是机身采用面积律的理论来设计。

第二代战斗机升限可达20米以上，最大速度超过两倍音速。个别的高空截击机的升限高达30米，速度超过3倍音速。代表机型包括美国洛克希德公司F-“战星”式、麦克唐纳公司F-4“鬼怪”式、诺斯罗普公司F-5“自由战士”；英国“闪电”式；法国的“幻影”Ⅲ和“幻影”F1；瑞典的萨伯-37；前苏联的米格-21、米格-23、米格-25和苏-17。

　　年在NACA的研究备忘录中，有一篇惠特科姆撰写的《近音速时机翼/机身结合处零升力阻力特性研究》的文章，对突破音速有重大的影响。惠特科姆根据风洞测试的结果，证明了“面积律”可以降低超音速时的波阻。

根据面积律，在飞机上机翼和机身相接合的位置机身的截面积应减小以适配机翼的截面积，对迎面而来的气流而言，机翼加上机身的总面积必需维持不变，因此机身的外型变成所谓的“可口可乐瓶”的样子。

康维尔公司的工程师根据该法则重新设计了年首飞但性能不佳的F-“三角剑”战斗机，将平直的腰部内缩。带有蜂腰的F-A于年12月首飞，速度增加了20%，轻易地飞过音速，使得这架飞机能够突破跨音速阶段的阻力限制而挤身超音速飞机之列。“面积律”是喷气机时代最重要的工程发展项目之一，直到今天几乎所有的高亚音速或超音速飞机，多多少少都应用了这个法则。

理查德·惠特科姆

F-A缩腰后大大提高了跨音速性能

年12月，洛克希德的设计师凯利·约翰逊会见了不少F-86“佩刀”的飞行员，听取他们对未来战斗机的意见。出人意料的是，飞行员的回答惊人的一致——战斗机重量增大、复杂性增加的趋势使得飞机越来越难以控制，最理想的飞机应该是比现役战斗机更轻、更廉价、速度更快、升限更高、爬升率更大、并具有良好机动性的飞机。由飞行员的回答不难看出米格-15所造成的巨大冲击，如果对米格-15和F-86的性能有些了解，不难发现其中的微妙之处。两种飞机性能本在伯仲之间，但米格-15恰恰是在速度和垂直机动性方面超过了F-86。实际上，这一冲击影响极其深远，几乎整个世界的第二代超音速战斗机都被烙下了“高空高速”的印记。

为了追求高空高速性，洛克希德的F机身修长，进气道前有三维激波锥，机翼短小，机翼厚度很薄且前缘锐利，采用T形尾翼，这是第一架能持续飞行于两倍音速的飞机，成为60年代和米格-21、幻影III齐名的世界三大标准战斗机之一，该机还是第一种曾经同时保持世界高度和速度纪录的飞机。

因航程短、载弹量小该机并未成为美国空军的主力战斗机。极端追求高速性能的代价就是F的低速性能很差，由于机翼面积很小，翼载很高，牺牲了飞机的盘旋性能。如果遇到发动机空中熄火或飞机失速，别的飞机能滑翔着陆，而F-则会马上变成自由落体式。因为T形尾翼在大迎角失速状态下效率极低，加上F-的高翼载等，都将导致失速状态下的F-难以机动改出，因此，F有“寡妇制造机”的别称。

F-的机翼前缘如此之薄以至于可以用来切菜

F-最重要的意义，不在于它的性能如何，事故率如何，而在于它是喷气时代第一种“飞行员的战斗机”。从设计师凯利·约翰逊会见飞行员的记录，我们可以发现，那些对尚在酝酿中的F-的要求，其实和后来“战机黑手党”对F-16的要求并无二致。只是由于当时技术条件的限制，加上对未来空战形式的判断，使得F-最终偏向了高空高速，并为此牺牲了盘旋性能。但毫无疑问，最初的F-A就是按照飞行员理想的战斗机来设计的。但是，飞行员理想的战斗机，并不是军方理想的战斗机。一种轻型的“纯”空战战斗机并不符合军方“高效费比”的要求。

米格-21“鱼窝”是前苏联米高扬设计局于20世纪50年代初期研制的一种单座单发超音速轻型战斗机，是一种设计紧凑、气动外形良好的轻型单座战斗机。该机采用大后掠角切尖三角形机翼、全动后掠水平尾翼、细长机身、机头进气道、三维多激波系进气锥设计,最大平飞速度超过2马赫，实用升限超过18米。

米格-21以其多用途、高效率，尤其是惊人的寿命，在战斗机发展史册上，写下了自己重要的一页。这种飞机经过不断改进，以从容的发展步伐，从一种轻型昼间战斗机，发展成为一种重量较重、功用较多的全天候攻击战斗机，同时，其机动性和其它优良性能却从未降低。

先进的超音速战机结构

为了突破音障实现超音速，人们采用了后掠翼、面积律等先进的气动布局，轻松实现了两倍甚至三倍音速，随之而来的就是超音速飞行时因空气摩擦产生高温导致机体结构强度退化的问题。当飞机超音速飞行时间很短暂，外蒙皮产生的热还来不及传到内部主结构时，这些都不是问题，一旦需要长时间的超音速飞行，为了防止因高热使结构失去强度，飞机的结构设计就要有所改变。

美国B-58“盗贼”轰炸机机翼采用蜂窝结构解决超音速摩擦热问题，使其能持续超音速飞行两小时以上，最高飞行速度将近2马赫，此时部分蒙皮的温度超过摄氏度。蜂窝结构采用了铝合金、玻璃纤维以及粘胶剂制成，B-58的蜂窝夹层结构占了集体表面的85%，这种结构的重量比铆接结构轻了30%，机翼蒙皮表面下还有有机玻璃纤维用于隔绝机翼蒙皮和空气剧烈摩擦产生的热量。

SR-71“黑鸟”是美国空军所使用的一款三倍音速远程战略侦察机，也是突破热障的代表机型。SR-71的机身大部份使用耐热钛合金，飞机涂装为暗蓝色（趋近黑色），以加强热辐射冷却与高空的伪装效果。主翼内侧蒙皮的主要部份呈波纹状。热膨胀会使平滑的蒙皮撕裂或卷曲，而将蒙皮做出波纹让它能向垂直方向伸展，避免应力过强，同时也增强纵向强度。不过空气动力专家指责这是试图让一架20年代的福特三发动机飞机（因其铝制波纹蒙皮而闻名）飞到三马赫。

热障是飞机的飞行速度超过一定界限时因高速气流引起机体表面温度急剧升高而遇到的障碍。飞机在飞行时，机体表面与空气强烈摩擦会产生热量。如果速度低于一定值，产生的热量不大，很容易散发掉。当速度超过这个值时，产生的大量气动热来不及散发，于是引起机体表面温度急剧升高，并因此产生许多新问题。飞机的飞行速度越高，加热越严重，导致机体材料结构强度减弱，刚度降低，使飞机外形受到破坏，甚至发生灾难性的颤振。一般认为，飞机出现热障的速度段在马赫数2.2（即2.2倍音速）以上。对于要突破热障的飞机，必须采取防热措施，如采用耐热材料、加装隔热设备，安装冷却系统等。

目前，突破热障的代表机型主要有前苏联米高扬设计局研制的米格-25战斗机和美国洛克希德公司研制的SR-71“黑鸟”战略侦察机。

SR-71采取无尾三角翼构型，加上翼根前缘两侧延伸的边条，形成极佳的升力体，而这种设计也成为后来战斗机上屡见不鲜的机身/机翼融合体的雏形。

从生产中的SR-71可以看到翼身融合体的影子

20世纪60年代，飞机设计师们开始提出翼身融合体的概念。所谓翼身融合体，指机翼和机身做为一个整体来设计，二者的平面形状和剖面形状完全融合为一的机体。通过翼身融合，飞机可以获取更好的气动性能。翼身融合体的优点是结构轻、容积大、阻力小，这些有利于飞机进行超音速飞行。多数第三代超音速战斗机如F-15、F-16、“幻影”2、米格-29、苏-27等，都采取翼身融合体布局，机翼和机身做为一体来设计制造，有的飞机还把机身边条和机身前体融合在一起。

此外，翼身融合体布局还有利于飞机的隐身性能。采用翼身融合体后，机翼与机身结合后以平滑曲面过渡，消除了二面体反射效应。美国早期的SR-71战略侦察机和B-1B轰炸机以及前苏联的图-“海盗旗”战略轰炸机都采用了翼身融合体技术，从而提高了隐身能力。正是由于翼身融合体布局的气动优势，它也将成为新一代作战飞机的首选气动与隐身一体化设计形式之一。

20世纪70年代，战斗机的设计思想发生了重大变化，由强调“高空高速”转变为高机动性，也就是随之出现的第三代超音速战斗机。根据越南战争的经验，如果一方战斗机的机动性能好，就很容易变被动为主动。因此，美国在研制新型战斗机时，突出强调高机动性、多用途、可对地攻击等。美国称这样的战斗机是“空中优势战斗机”，它也由此成了第三代超音速战斗机的代名词。为保证有较高的机动性，气动设计上的主要措施是翼身融合体、鸭翼、边条翼、前缘襟翼等，并大量应用主动控制技术。

第四代战斗机克服三代机在使用中暴露的缺点，强调隐身能力，超音速巡航，超机动性能，短距起落性能，可维护性等，但这些都是随着先进作战理念的普及、人们对空气动力学研究的深入和先进复合材料及大推力发动机的出现而得以实现的，在飞机结构上并没有革命性的变化。

从20世纪80年代开始，飞机结构材料已经广泛地使用了先进复合材料。复合材料的特点是比重小、比强度和比模量大，抵抗疲劳和腐蚀的能力好，现在又因为能满足隐身的需要而成为热门材料。

先进复合材料的比强度、比模量都比传统金属要好，根据经验在强度相同的条件下，采用复合材料可以较铝合金节省约30%的重量，有效提升飞机的性能。复合材料耐热耐腐蚀，有极好的抗疲劳性，结构疲劳寿命比传统的铝合金强上好几倍，这很好地提高了飞机的寿命。有些复合材料可以让雷达波穿透，降低飞机的雷达反射面积，因此成为新型飞机不可或缺的使用材料之一，不过飞机结构设计并没有因此而有任何的改变。

波音的复合材料机身仍采用了传统的隔框纵梁结构，而且还是铆接成型

最典型的例子就是瑞典空军的先进战机JAS-39“鹰狮”，这架于年6月进入瑞典空军服役的战斗机机翼全部使用碳纤维复合材料，但结构仍然是传统的多翼梁、翼肋、蒙皮设计，而且相互间的接合方式并不是胶结，仍然是传统的金属固定件铆接，由此可清楚看见复合材料对飞机结构的设计方式几乎没有什么影响。

JAS-39“鹰狮”

讲完了骁勇善战的战斗机，我们来看看航空界的另一条主线，民航大飞机。相对于战斗机对能量的绝对要求，民航大飞机就更注重经济性和舒适性，这又是另一种对技术的极端地追求。

“彗星”号——世界最早安装涡轮喷气发动机的民航飞机

英国是最早发明喷气式发动机的国家之一，一度领先于世界。二战结束后，英国人将喷气技术用于民用机，从而研制出世界上第一种喷气式客机──“彗星”号。

年7月27日，英国的德·哈维兰公司设计的“彗星”号原型机进行首次试飞，成为世界上第一种喷气式客机。这种民航机是第一种以喷射引擎为动力的民用飞机，以0.5厘米的铝制蒙皮包覆。年5月2日，“彗星”号客机正式投入航线运营。“彗星”号最引人注目的特点有两个，一是速度快，可达千米/小时,这是当时任何客机无法相比的；二是采用密封增压式座舱，可在更高处飞行，平稳性和舒适性也是前所未有的。

在“彗星”号大受欢迎之际一系列安全问题接踵而至，在年到年“彗星”号接连发生了3次飞行事故。后来调查研究显示，长时间飞行引发了飞机结构疲劳，从此航空界开始了对疲劳问题的重视和研究，为后来飞机研制解决疲劳问题打下了基础。 　　“彗星号”飞机增压舱内方形舷窗处的蒙皮，在反复的增压和减压冲击下，产生变形、裂纹，最终导致金属疲劳断裂。在高空中，断裂使得飞机座舱内外的压差如同压缩空气一样爆炸，使得飞机顷刻解体。当时，金属疲劳还是一项无人知晓的课题，而喷气式飞机彗星号比其他飞机都飞得快且采用增压座舱，承受的压力自然也大，更容易产生金属疲劳。

所谓金属疲劳，是指一种在交变应力作用下，金属材料发生破坏的现象。机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故。

　　对金属疲劳问题的认识不足，最终毁掉了英国德·哈维兰公司。这家公司名誉扫地，年不得不与霍克—西德利公司合并，而彗星号生产线又继续蹒跚了几年后，于年正式关闭。

喷气式民航客机商业时代的来临

　　正亦步亦趋地向德·哈维兰公司学习研制新型喷气式客机的美国波音公司，吸取了彗星号的教训后，采用了新型材料，并将舷窗形状从方形改成了圆形，终于在年推出了波音。其他飞机制造公司也接受了这一教训，对舷窗的结构，均采用整体锻件形式，以保证万无一失。

波音是美国波音公司在年代发展的波音系列飞机首部四喷射引擎民航客机。这亦是世界第一部在商业上取得成功的喷气民航客机，凭着的成功，波音公司执掌民航机生产牛耳接近半个世纪。

以波音为代表的民航客机开启了干线客机划分代际的时代，作为第一代民航客机，这一代的主要特征是采用涡轮喷气发动机、后掠翼，与活塞式客机相比大大提高了巡航速度和客运量，使民航运营效率大为提高。从气动设计上看，这一代飞机采用了大展弦比后掠翼，层流平顶翼型，机翼前后缘往往带有大面积襟翼。发动机一般都安装在机身外。为降低发动机与机翼气流的干扰，发动机的安装位置往往十分重要，波音采用了后来成为大型客机标准模式的翼吊发动机短舱形式。

波音

自第一代喷气客机起，大型飞机不断对结构、动力进行优化，第二代喷气客机采用新的翼型和低涵道比涡轮风扇发动机，降低了耗油率，提高了经济性。在气动设计上基本确立了悬臂式下单翼布局，注重低阻力亚音速翼型的研究和使用，主要采用尖峰翼型；注重各部件气动干扰，襟翼等增升装置多采用多段式开缝翼，同时为整机减重，复合材料开始大量使用。

波音

20世纪70年代，针对世界客运量的飞速增长出现了宽体客机，以波音为代表，其机身直径可达5.5～6.6米，是第二代以前所谓“窄体”客机的1.5倍；起飞重量最大可达吨以上，载客量远程可达人以上，近程则超过人。翼面积和机身直径的大幅度增加，使得载重量、载客量、载油量和航程都有明显提高。推力更大、耗油率更低的高涵道比涡扇发动机，噪声和振动水平则大大下降。在气动设计上，宽体客机也体现了最新的科研成果，突出采用了新型的“尖峰”翼型，巡航升阻比提高，同时耗油率下降。

二十世纪80年代-90年代以来，出现了一批更为先进的客机，采用了更先进的高涵道比涡扇发动机，耗油率又有降低。由于发动机性能的提高，发动机安装台数普遍改为两台，不像过去的几代采用三台或四台。在气动设计上，除了精心设计机翼形状、襟翼装置外，最大的特点是采用了新的“超临界”翼型。所谓超临界机翼是一种上表面比较平坦，下表面鼓起，后缘部分有下弯的机翼。其巡航速度有所提高，升阻比特性优于“尖峰”翼型。另外，安装翼梢小翼也成了新型客机的特点。同时，随着技术的进步，采用了先进的电子系统，包括电传操纵系统，改善了驾驶特性。

波音

空客A

波音发动机罗罗遄达系列涡扇发动机

大型客机发展到今天，已经在安全性、经济性、舒适性上取得了长足的进步，先进的空气动力学设计，耗油率更低、排污更小、噪声更低、涵道比更高、推力更大、维护性更好的涡扇发动机的问世，更轻更坚固的新型材料的出现，都一次次更新着人们的出行体验。

我们国家自大飞机项目立项以来，取得了稳步地发展，羊年伊始，更是有国产大飞机C将于今年装配完成，预计年底将实现首飞的好消息传来，真心地祝愿我们自己的大飞机能早日飞上蓝天，逐鹿全球。

至此，《飞机结构漫谈》12期内容已经全部完成，不得不承认一开始打算梳理飞机结构的发展足迹时就低估了这件事的难度，这像是一场缩小的长征，艰难地向前发展着，几乎每一期内容都是新的认知和艰难的取舍。当然，比起繁杂的文字和图片，这里的谬误和不足就更加的多。希望我们都能在这里学到真正感兴趣的东西，也希望不久的将来，当乘飞机像坐火车一样普及的时候，我们不会眼巴巴地看着这个能飞的铁家伙，一脸的茫然。最后，祝大家安好，以波音梦想飞机结束，我们的梦想都会飞！

本文来自“飞机与发动机”

非常感谢“飞机与发动机”编辑的大力贡献

感谢朋友们的大力







































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