美国NASA兰利研究中心的前50年(2)

2016-10-24 20:42:41 航空世界 2016年9期

杰森

(接2016年第7期)

在第一次世界大战的后期和战后的初期,航空技术发展迅速,取得了不小的进步。有些探索和研究为以后的航空技术指明了发展方向。

在一战中应运而生的兰利航空实验室(即后来的兰利研究中心,全称为“兰利纪念航空实验室”), 在它初创期的10年里完成了许多有历史意义的研究工作,在取得了不错的成果的同时,也为今后几十年的研究工作打下了良好的基础。

初创期——1917年—1927年

10年概述

必须承认,战争是科技发展最有效的推动力。

一战中的轰炸行动,促进了轰炸瞄准装置、无线电通信与导航设备、自动驾驶仪、无人驾驶技术、自封闭油箱的发展。

商业航空和创纪录飞行方面,也在不断取得进步。

1919年初,德国战败仅两个多月,德国航空运输公司即开始经营客运业务。同年8月,英国伦敦和法国巴黎之间开始了航空客运往来,这是最早的商业性国际定期航班。美国于1920年起飞了北美第一架国际客运班机,1925年又建成了芝加哥—底特律定期航空货运航线。1926年,柯立芝总统签署了著名的“航空商业法案”,这是世界航空运输史上第一个具有法律意义的法案。

早期的定期航运飞行的发展,得益于那些冒险完成的创纪录飞行。

1919年,美国海军使用寇蒂斯公司制造的NC-4水上飞机第一次飞越大西洋。英国的约翰·阿尔科克上尉与阿瑟·布朗中尉在同一年完成了不着陆飞越大西洋。1923年,O.凯利和J.麦克里迪完成了首次不着陆跨越美国本土的飞行。一年后,美国陆军航空勤务队(1926年改为美国陆军航空兵团,1941年再次改为美国陆军航空队,1947年成为了现在的美国空军)用4架道格拉斯公司的水陆两栖双翼机开始了首次环球飞行。命名为“道格拉斯世界漫游者”(Douglas World Cruiser)的4架飞机中最终有2架完成了这一航空史上的壮举:全程飞行42400千米,第一次飞越太平洋,第一次从东向西飞越大西洋。

这些飞行成就中,1927年查尔斯·林德伯格(又译林白)单人单机飞越大西洋给人们留下了深刻的印象。这次富有传奇色彩的飞行让全世界认识到了飞机的潜力,从而更加关注航空与飞行。甚至有人认为,其对航空的推动作用仅次于莱特兄弟的首次成功飞行。

在这10年当中的其他一些探索和研究,也指明了今后航空科技的发展方向。

在美国,研究者完成了多项试验:一架寇蒂斯公司JN-4的操作员对另一架JN-4进行了遥控飞行;斯佩里公司成功试验了带陀螺稳定装置的自动驾驶仪;利用软管进行了空中加油;在演习中轰炸机投弹击沉了退役战列舰;对人类难以涉足的阿拉斯加荒野完成了空中测绘;在夏威夷进行了空中播种造林;利用航空技术进行人工降雨试验。

欧洲的航空研究也取得了进展。罗伯特·哥达德设计的液体燃料火箭发动机成功进行了试射;德国成立了空间航行协会;俄国建立了火箭推进研究中央委员会;特别是德国罗尔巴赫公司制造的全金属光滑表面机翼,最终演变为现在广泛使用的承力蒙皮结构。

这一时期的最初几年,飞机设计领域有许多难题需要解决。双翼机因为支柱和张线的影响,阻力大,升阻比低;发动机功率小,可靠性差,螺旋桨效率低。在飞行方面,既缺乏飞行控制方面的知识,又缺少对阵风和气动载荷的认识。飞机的稳定性、操纵性都很差,经常会危及飞行安全;降落时下滑角度和着陆速度几乎无法控制。

兰利航空实验室(以下简称兰利实验室)在第一个10年里取得了很好的技术成果。包括:悬臂式机翼设计、单翼布局研究、三发飞机概念、金属结构件设计、可靠性好的气冷发动机、增压器的尝试使用、有限盲目飞行设备的发展等。

无论是军事领域还是商业用途,飞机也在这10年里取得了惊人的发展。但是,由于缺少相关知识和试验数据,飞机设计师只能依靠自己或别人的经验进行研究。所取得的成果基本都是运气好碰巧解决了某个难题,但在解决更多问题时运气却不那么好。

国家航空谘询委员会(NACA)建立兰利实验室的目的,就是要在飞机设计中采用依靠试验数据的科学研究方法而不是靠碰运气。这才是飞机设计的正确思路。

兰利实验室的研究工作

风洞试验

1917年7月,由纽约怀特工程公司承建的NACA第一个实验室——兰利实验室破土动工。几个月后,根据全美航空航空事业调查报告,NACA还批准了一项风洞建设计划及技术要求,并于1919年春开始施工,预计1920年建成。

风洞开工后不久,NACA又在一项草案中建议扩大兰利实验室的研究工作,同时承诺将其有经验的研究人员和新增加的实验设备提供给大学和工业界使用,以促进政府试验机构之外的航空研究与实验工作。

这是兰利实验室的第一座风洞,与古斯塔夫·埃菲尔设计的风洞类似。该风洞试验段直径约5英尺(1.50米),还可利用一道隔板,将试验段直径缩小到2.5英尺(0.76米)。

1920年6月11日,兰利实验室举行了正式落成仪式,新风洞也在当天同时启用。落成典礼后进入风洞实验室参观的来宾们,看到新建成的风洞试验设施是一座砖混结构的小建筑,两端各有一个敞口喇叭状物体。

位于室内的风洞试验设施大小约为14英尺×10英尺(4.2米×3.0米),高约23英尺(7.0米),中心是一个圆筒形的风洞试验段,里面用金属丝悬挂试验模型。测量试验模型所受载荷的是一台经过改装的秤,技术人员位于试验段下方,通过读取秤杆上的刻度来获取和纪录试验数据。

该风洞试验段的气流速度可达120英里/时(192千米/时),据称是当时最快的可用试验速度。与同时代的其他风洞相比,其空气流动特性很好,非常适合在如此高的速度下测量试验模型的受力情况。

第一座风洞(可称为1号风洞)建成还不到半年,NACA提出了建造第二座风洞的计划,一年后获准动工。这座风洞是校正缩尺模型与全尺寸样机数据差异的尺寸效应的压缩空气风洞,后称作变密度风洞。该风洞试验段直径5英尺(约1.5米),根据设计可在20个大气压(约2026.5千帕)的高压下工作。

新的变密度风洞在1922年9月19日 NACA举行年度会议时建成启用。有意思的是,当时兰利机场的电力供应无法满足变密度风洞和1号风洞同时工作的需求。尽管如此,1922年年会时NACA对兰利实验室的现状和发展速度还是比较满意的。

当时的兰利实验室有6大部分组成:行政办公室、绘图室、机械和木工车间、照相和仪表实验室所在的研究实验大楼,分别以1号风洞和变密度风洞为主体的两个气动力实验室,两个发动机研究实验室(一个为专门修建,另一个由机库改建),位于兰利机场的一座机库。

试验设备包括1号风洞专用的一台张线式天平、变密度风洞用的一台自动天平和一个高压压力计,适合对双翼机和三翼机进行试验。

风洞设施及配套的试验技术、设备,可用于测量现有飞机和部件的气动力特性,以便找到改善这些特性的设计方法。

飞行试验

但是风洞设备不是兰利工程师们使用的唯一试验设备。早在兰利实验室成立的第二年,他们就开始研制飞行试验所用的试验仪器了。借助这些仪器,可以在真正的飞机上进行测量,将测量结果与缩尺模型在风洞试验中的数据进行比较,可以找出相互关系。

根据第一项测量仪器装备研究计划,工程师们要研究出测量发动机扭矩/转速、螺旋桨拉力、飞机迎角与飞行速度的方法和设备。由此在飞机上获得这些参数,可以补充风洞模型试验数据的不足。

通过风洞模型试验和全尺寸飞行试验共同解决航空学问题的方法是一种创新。兰利实验室在早期就明确了这两种试验方法互相参照的关系,并在以后的航空研究中一直都重视和采用这种双管齐下的方法。到了今天,这依然是兰利研究中心研究方法的基石之一。

1919年年中,1号风洞还在施工当中时,NACA就批准了兰利实验室的一项研究计划:进行第一次全尺寸飞机飞行试验。

由此开始的这一系列研究工作的目的,是将同一架飞机的飞行试验数据与风洞试验数据进行比较,以分析这两组数据之间的关系,同时,试图找出由风洞试验数据推导出实际飞行数据的方法。

第一项计划使用了两架寇蒂斯公司绰号“詹妮”(Jenny)的JN-4H双翼教练机开展飞行试验,对该机的升力和阻力进行了详细观测。该计划是其后许多研究工作的先行者,并由此发展出了一系列探索亚声速和超声速飞行领域奥秘的研究机/试验机。

用JN-4H进行的飞行试验取得的另一项影响后世的重大收获,体现在叙述试验情况的“NACA技术报告”中。该报告指出,必须培养专门从事试验研究的飞行员。这应该是最早提出试飞员概念并对其作用进行说明的技术文件。

第一项计划于1920年开始,在之后的几年中,JN-4H参与了多种飞行试验,包括在飞行中观测压力分布情况。NACA的技术人员在JN-4H的木-蒙布结构的水平尾翼上钻了110个测压孔,将一组内装液体的玻璃管压力计与测压孔相连,用相机记录飞行中压力计的变化情况。飞机设计师可以由此得到测压孔的压力值,进而计算出作用在水平尾翼上的气动载荷,其他翼面/操纵面的情况也可以用同样方法得到。

1921年1月,技术人员开始进行风洞模型试验的机翼特性和全尺寸飞机飞行试验的机翼特性的对比研究。研究结果可以提供完整而精确的数据,供飞机设计师据此进行性能估算。

同年,为了测量操纵面位置和驾驶杆杆力从而提供飞行安全性,兰利的技术人员研制了新的观测仪器并在飞行试验中进行了测试。经过改进和小型化后的同类仪器,在后来高速喷气式飞机飞行试验中仍在继续使用。

对压力分布的研究,成为兰利实验室飞行试验的一项重要工作。这项工作的内容也从测量稳定飞行时的机翼载荷,发展到研究加速飞行或机动飞行的载荷作用,因为当时的飞机设计师实际上无法从其他途径获得加速飞行中机翼载荷分布的数据。

后来,这项工作扩大到了测量柔性飞艇头部的压力分布。开始的测量工作只在稳定飞行时进行,其后也扩大到了在一定的空速范围和大气条件下做机动飞行时进行。

还是在1921年,兰利实验室为试飞工作增加了3架飞机:一架JN-4H、一架刘易斯-沃特公司的VE-7“蓝鸟”和一架托马斯-莫尔斯公司的MB-3。全年飞行任务最重的是3架“詹妮”,共飞行了260个起落、累计110飞行小时,其中进行数据采集的飞行时数超过一半。

1922年,兰利实验室又进行了一项开创性的研究工作:对起飞和着陆性能的首次系统的测试。还是在这一年,美国海军航空局请NACA对4种机型进行稳定性、操纵性和机动性的比较研究。这4种机型是VE-7、MB-3、英国皇家飞机工厂的S.E.5A(一战中使用最广的战斗机之一)和著名的德国福克公司的福克D.Ⅶ(美国远征军在一战中缴获的战利品)。

1922年,S.E.5A和一架德·哈维兰公司的DH.4首先加入了兰利实验室的试飞队伍,使得机队的规模扩大到了7架。另外,还有4架飞机正在为试验计划或保障工作进行改装。它们是福克D.Ⅶ、德·哈维兰DH.9、法国纽波特公司的纽波特23和斯帕德公司的斯帕德S.Ⅶ。

顺便说句题外话。上述的机型中很多都是一战中的作战飞机。因为战争的结束,大量军用飞机成为了剩余物资而不得不另找出路(低价销售、转为民用等)。战后初期航空业的蓬勃发展,与这些“价格便宜量又足”、性能还很好的剩余军机,有很大关系。

还是在1922年,兰利实验室使用JN-4H试验机对机动性进行了广泛的研究。研究目标是从空气动力学角度对“机动性”下一个令人满意的定义,并制定一套测量机动性的方法。以前,飞机的机动性是根据飞行员的主观感受来判定的,受个体差异和好恶的影响。同一架飞机,一位健壮的飞行员会认为操纵轻便、机动性好,而力量较弱的飞行员则认为操纵笨重、不灵活。

兰利实验室的工程师和飞行员开展的机动性研究,就是要找到一种更加客观的判定机动性的方法。他们给“詹妮”装上了试验仪器,测量随着一个操纵动作而产生的角速度,以此作为给机动性下定义的第一个途径。

和兰利实验室的许多开拓性工作一样,对机动性的这项早期研究发展成为后来广泛开展的关于飞机操纵品质方面的飞行研究工作。当初确定的基本方法,在今天仍然在使用。

兰利实验室在飞行试验研究方面的能力,开始引起了美国各军种的关注。

1923年,海军航空局再次来到兰利实验室,请求对海军的TS-1进行一系列低速状态下的飞行试验。TS-1由海军飞机制造厂设计、寇蒂斯公司生产,在设计之初就考虑了舰载使用要求。机轮可以快速更换为浮筒,随舰出海时可以水上起降,主要执行海上侦察和舰炮校射等任务。海军对于精确测定飞机的失速速度和起飞着陆速度特别感兴趣。

陆军航空勤务队同样对这类问题感兴趣。1924年,它请求NACA对陆军航空勤务队的大部分现役飞机在起降过程中的空速、加速性、操纵面位置、迎角和地面滑跑距离进行研究。要求进行研究的机型包括:寇蒂斯公司的JN-6H、VE-7、德·哈维兰DH.4B、S.E.5A、斯帕德S.Ⅶ、BM-3、福克XCO-4(福克C.Ⅳ双翼侦察机的原型机)、马丁公司的MB-2双翼轰炸机和斯佩里公司的M-1“传令兵”双翼机。

此时,兰利实验室的试验机队规模已经达到了11架,1924年全年共完成了918次试验飞行,累计297飞行小时。

除了对现役机型起降性能的研究外,陆军航空勤务队特别要对VE-7教练机机翼上的压力分布进行飞行研究,并专门调拨了一架VE-7给兰利实验室进行这项研究计划。

这架VE-7在完成了机翼压力分布的飞行研究后,又承担了其他的试验工作。其中一项研究计划具有历史意义:用7种不同型号的螺旋桨进行试飞,以测定各型螺旋桨对飞行性能的影响。

VE-7的螺旋桨对比试验,还有在M-1“传令兵”上用6种不同翼型的机翼进行的翼型对比飞行试验,是NACA进行的许多对比试验中的第一次。这类试验采用了系统性的研究方法,可以找出一种较好的安装方式或者设计出性能较好的部件。

飞行试验和风洞试验都日益成熟。到了1924年年中,兰利实验室的风洞内压力分布测量和飞行中压力分布测量,都可以在一个工作日内完成。而在以前,同样的测量工作需要在长达两个月的时间里进行一系列的试验才能完成。

1924年年末,NACA报道了飞行试验技术的又一项改进成果:技术人员研制出了能连续记录飞行试验中飞机压力分布、加速度和其他一些参数的记录仪器。

1925年,飞行试验计划继续扩大,兰利实验室已拥有19架各型飞机来进行多方面的飞行试验工作。全年完成626次飞行试验,累计245飞行小时。

其他研究工作

1919年,兰利实验室的一个发动机研究实验室已经开始工作。为了测量航空发动机的输出功率和其他性能数据,实验室安装了一部测力计。

之后,又增加了第二个发动机研究实验室。两个实验室的工作都很饱满,发动机工程师们也因此非常忙碌。

1924年,兰利的发动机研究实验室对增压器的早期研究工作,使得人们开始考虑利用增压技术,提高轰炸机在高空时的发动机功率和使战斗机能够有更快的爬升率。该发动机研究实验室后来成为了NASA刘易斯研究中心的核心。

为确定气冷发动机上采用增压器是否可行,以及其对发动机飞行性能的影响,发动机研究实验室特地进行了一项专题研1925年,兰利实验室又开始了两项开拓性的研究计划。

第一项是让风洞试验结果标准化的研究。这对于将两个不同的风洞装置得到的数据进行比较,是非常重要的第一步工作。NACA的工程师设计了一套圆盘,先在兰利实验室的风洞进行试验,然后再去其他风洞在同样条件下做试验。把不同的结果进行比较,就可以得到校核不同风洞数据的方法。

1926年5月24日,NACA在兰利实验室召开了第一次有飞机制造厂和用户代表参加的联席会议。从此以后,这种联席会议发展成为NACA的例行会议,也是其以“视察旅行”的名称传承下来的一项优良传统。会议的活动内容也有了发展,参会的嘉宾、代表可以评论当前的研究工作,并可以就他们认为有发展前景的新技术新方法提出建议。

第二次联席会议于1927年召开,参会人员范围进一步扩大,包括了开始航空工程课程的院校代表,和在传播航空信息方面起着重要作用的航空杂志的代表。

航空工业界和NACA之间的信息交流,始终是确定NACA已经方向的重要因素之一。自1926年正式召开第一次联席会议以来,这种正确的做法就一直保持了下来。

兰利实验室的出色的研究工作也为美国国外的一些研究机构所赏识。比如,英国航空研究委员会请兰利实验室对3种飞机模型上的不同翼型进行了一系列的风洞试验,并将之前在英国风洞所得到的试验结果和全尺寸飞机飞行试验的结果与兰利的风洞试验结果进行了对比。

1926年,美国海军航空局发来的一封咨询信,促使兰利实验室完成了航空领域非常重要的一项研究工作。与陆军青睐夜冷发动机不同,海军认为气冷发动机才是更合适的动力装置。当然,海军的工程师们也清楚地知道,与夜冷发动机相比,气冷发动机的阻力较大,发动机冷却过程中消耗的功率也较多。他们希望能有一种包覆发动机的流线型整流罩,可以在减少阻力的同时改善发动机的冷却性能。海军航空局的来信就是请兰利实验室探索满足上述要求的整流罩是否可行。

NACA第二届联席会议上,工业界的代表也提出了类似要求,显然他们也遇到了和海军同样的问题,因此来寻求NACA的帮助。工业界的工程师们要求既考虑兰利实验室设计出的最佳整流罩外形的效应,还要考虑机身外形对整流罩和发动机冷却效果的影响。

因为变密度风洞在1927年8月的一次火灾事故中严重受损,需要两年的时间来修复。兰利实验室仅剩下的1号风洞只能进行缩尺模型研究,缩尺模型太小且没有螺旋桨,因此无法对解决整流罩和发动机冷却的问题提供帮助。当时唯一可行的方法是进行飞行试验,缺点是试验成本高,周期长。

最终解决问题的是兰利实验室的一座新设备:螺旋桨研究风洞。该风洞于两年前获得批准并动工兴建,原计划1927年底投入使用,实际建成比计划稍稍提前。螺旋桨研究风洞最初用途是在模拟飞行条件下试验全尺寸螺旋桨,后来也用于试验全尺寸机身、尾翼或大比例机翼模型。风洞的试验段直径20英尺(6米),最大风速110英里/时(176千米/时)。它是当时世界上最大的风洞,也是第一座能试验全尺寸飞机主要部件的风洞。

小结

随着全新的螺旋桨研究风洞的投入使用,兰利实验室终于成长起来了。

在这10年里,兰利实验室主要工作是探索和分析与航空有关的问题,同时也在发展组织机构,建造研究设施,与航空工业界和其用户进行信息交流以了解他们需要解决的问题。

通过富有创造性的试验研究工作,兰利实验室很好地解决了航空领域的一些问题,为当时的飞机设计作出了重要贡献。

但是,兰利实验室最突出的贡献,还是对其自身和NACA:两者都明确自己职能和发展方向,兰利实验室具有了认识飞行问题的能力,也能在急需解决这些问题时及时找出解决问题的方法。

这才是兰利实验室第一个10年中最大的收获和贡献。