美国NASA兰利研究中心的前50年(3)

2016-11-29 14:08:28 航空世界 2016年10期

杰森

1928年到1937年这十年,是两次世界大战的中和平发展的十年。经济的复苏让军用和民用航空领域都得到了快速的发展。一些新的航空技术开始出现,比如火箭动力和喷气动力。

这十年同时也是NACA兰利实验室发展的黄金十年。利用领先同行的风洞等实验设施,兰利实验室在空气动力学、飞机气动布局和结构设计、飞行研究等方面都取得了相当出色的成果。同时,兰利实验室还开展其他一些先驱性的研究工作,包括:飞机结冰及预防、水上飞机船身结构的水动力实验、自转旋翼机的研究,以及发动机工作原理的探索研究等。

在这十年间,飞机的外形和结构焕然一新,从发动机裸露、采用固定式起落架、钢木骨架+布制蒙皮结构、布满支柱与张线的双翼机,变为外形光滑流畅的全金属下单翼飞机,飞行性能的大幅度提高让军用航空和民用航空都获益良多。这些都依赖于NACA兰利实验室的开拓性研究成果。

但在十年的末期,满足于自身经济好转的美国不再关注国外航空技术的发展,也不太在意美国在航空领域的主导地位。曾经领先的兰利实验室也开始放慢了发展的脚步。

第二个十年——1928年—1937年

10年概述

正如前一篇所述,在种种历史性的创纪录飞行活动让人们对航空的热情空前高涨的时候,兰利实验室也进入了她的第二个十年。此时,已经没有人怀疑航空对世界发展所带来的促进作用。

航空技术在这十年当中的进步,让飞机(飞行器)的气动外形和飞行性能都发生了革命性变化。这些变化让飞机在全球交通运输业中树立了牢固的地位,并在未来也一直保持着这种优势。

受商业繁荣的影响,民用航空的发展势头如火如荼。

1930年,美国“大陆横贯和西部”航空运输公司开办了第一条从东海岸纽约到西海岸洛杉矶的直通航线。1933年,波音公司的波音247和道格拉斯公司的DC-1进行了首飞。这两个机型开创了未来两大运输机系列,也引发了两家公司持续几十年的商业竞争(1967年麦克唐纳公司兼并道格拉斯公司后组成的麦道公司在大型商用飞机领域继续与波音公司展开竞争),直到波音公司并购了后来的麦道公司才告结束。

1934年,道格拉斯公司开始研制DC-3飞机,并于当年成功首飞。这架在军民用领域都获得了成功的飞机,让航空运输发生了巨大变革。

还是在这一年,泛美航空公司用水上飞机进行了横跨太平洋的飞行考察,之后开辟了从旧金山到菲律宾马尼拉的航空邮政业务。1936年,该公司利用新开辟的跨太平洋航线运送了第一批旅客。1937年,泛美航空公司和英国的帝国航空公司进行了横跨大西洋的飞行考察,同时开始了美国—新西兰的航空邮政业务。

军用航空领域也取得了很大进展。

波音公司在1935年完成了波音299的首飞,这是后来著名的B-17“飞行堡垒”的原型机。在英国,霍克公司研制的“飓风”战斗机的原型机进行了首飞。大不列颠的研究人员将第一份关于无线电探测和测距(即后来的雷达)的报告提交给了英国防空研究委员会。

尽管是在第二次世界大战之前的和平岁月,但战争其实并未远离。在这十年当中爆发的3次战争,使人们开始重视航空兵和空中打击表现出的力量。这3次战争为:1931年日本关东军策动“九一八”事变后,日本发动的侵略中国东北的战争;1935年意大利对阿比西尼亚(今埃塞俄比亚)的战争;1936年爆发的西班牙共和政府与佛朗哥国民军之间的内战。其中,西班牙内战吸引了国际上各方势力的参与,使得这场战争成为试验新式武器和检验新的作战理念的最佳场所。尤其是德国轰炸机对格尔尼卡的野蛮轰炸,预示了未来大规模战略轰炸的残酷。

在这十年里,英国的R-101、美国海军的阿克隆和梅肯,以及德国的“兴登堡”号等飞艇接连发生了惨痛的事故,让这个一战中声名鹊起的飞行器暂时退出了历史舞台。

喷气推进技术在这十年中出现了根本性的进展。

1928年,德国进行了火箭动力滑翔机的首次飞行。英则发表了弗兰克·惠特尔有关喷气推进技术的论著。9年后,惠特尔的第一台喷气发动机开始运转。同一年,俄罗斯出版了关于星际飞行的9卷百科全书的第一卷。

1929年,第一次喷气助推起飞技术在德国进行了成功演示。1930年,德国空间航行协会在柏林建成了一座试验场,德国陆军军训兵团在此组织试验了其火箭武器计划,后转到库默尔多夫的试验站实施。

亨克尔公司用He 112进行了改装辅助火箭发动机的研究。该机于1935年年中进行了静力试验,于1937年初成功首飞。该项研究为二战后期德国的火箭动力战斗机(如Me 163)奠定了基础。

1937年,德国陆军军械兵团在佩内明德成立了海军发展中心。俄罗斯则在莫斯科、列宁格勒和喀山附件建立了3个火箭试验中心。

航空研究领域也取得了进展。

在这十年的初期,双翼机是标准的设计方案。美国陆军航空兵团(美国空军前身的前身)最新型的轰炸机,是寇蒂斯公司的“秃鹰”双发双翼机。该机有翼间支柱,采用固定式起落架和双翼式尾翼,座舱为敞开式。陆军航空兵团的新式战斗机是寇蒂斯公司的P-1系列,这是霍克系列战斗机的前身。该机也为双翼机,有翼间支柱,固定式起落架,单台液冷发动机。

商业航线使用的是福特公司的三发全金属上单翼飞机、波音公司的80型三发双翼机,和其他多种单发飞机。

这个时期,大多数军用和民用飞机的结构,都是用张线和支柱支撑的双翼机,采用木质或钢管骨架,布制蒙皮。它们都采用固定式起落架;发动机的冷却方式为气冷或液冷,气冷发动机尚未加装整流罩;螺旋桨为固定桨距式。单翼结构已经出现,大多采用支柱支撑的布局形式。设计师在采用单翼设计时,还没有完全掌握颤振和气动弹性的问题。

到了十年的末期,已经很少有人采用双翼布局了。无论军用飞机还是民用飞机,绝大部分都是单翼机,取消了外部支撑,机头有着光滑的流线型发动机整流罩,起落架为可收放式。

这些始于20世纪30年代初期的设计革命,正是由国家航空谘询委员会(NACA)兰利实验室的各项研究成果带动起来的。

NACA兰利实验室的研究工作

1927年(也就是兰利实验室第一个十年即将结束的时候)刚刚建成并投入使用的螺旋桨研究风洞,在第二个十年的头几年里,已经开始发挥作用并取得成果了。

这是第一次有航空实验室拥有可进行全尺寸飞机部件试验的大型多用途研究风洞。这座风洞的另一个优势是,可以对以前缩尺模型中难以表现的细小零部件进行测试研究。这样风洞实验研究的领域将更加完整,所获得的成果能够对飞机结构中的许多细节进行改进。

螺旋桨研究风洞开展的第一个项目,是早先海军和航空工业界向NACA请求帮助解决的问题:降低气冷发动机的阻力并改进其冷却效率。

根据一系列风洞实验的研究成果,NACA设计出了一个机头(发动机)整流罩,并将其装在美国陆军航空兵团的一架寇蒂斯AT-5A教练机上进行了测试。NACA在1928年年度报告中写道:“(该试验机的)最大飞行速度从118英里/时(187千米/时)提高到137英里/时(220千米/时)。这相当于在不增加发动机的重量或改进成本、不增加燃料消耗的情况下额外增加了83马力(61千瓦)的功率。仅这一项成果带来的效益,就已经是螺旋桨研究风洞建造成本的几倍了。”

AT-5A教练机的动力装置为莱特公司的R-790-1气冷发动机,其额定功率仅为220马力(162千瓦)。整流罩所达到的效果(83马力的额外功率),等于极大地增加了发动机可用功率,或者说有效地减少了发动机阻力。

机头整流罩的研制成功,使NACA获得了1929年度的科利尔奖。该奖项是美国航空界的最高成就奖,每年评选一次。在次年举行的颁奖仪式上,时任美国总统的赫伯特·胡佛为当时的NACA主席约瑟夫·艾姆斯博士颁奖。顺便提一句, NACA的第二座实验室艾姆斯实验室(即后来的艾姆斯研究中心)就是以他的名字命名的。

自此,飞机气动构型设计的革命开始了。NACA研制的整流罩逐渐成为后来气冷星型发动机的标配,并在使用当中不断地改进改型。由于机头整流罩显著地降低了阻力,飞机设计师希望NACA能找到其他可以大幅度降低阻力的方法,NACA也开始了相关的探索研究。

飞机上另一个产生很大阻力的部分是固定式起落架。斯佩里公司的M-1“传令兵”双翼机在螺旋桨研究风洞内进行了实验研究,结果表明该机40%的阻力都是由固定式起落架引起的。这是第一次对起落架阻力进行测试、分析并得出精确的数据,也是首次明确了固定式起落架对飞行性能造成的影响。

在一次降低阻力的实验研究中,NACA的工程技术人员对福克公司的Fokker C2三发运输机(装备莱特公司J-5“旋风”发动机)进行了风洞实验。他们认为,发动机加装整流罩后可以很好地提高飞机的飞行性能。但实验结果否定了工程师们的判断,他们开始分析整流罩效果不佳的原因。

通过思考和分析,工程师们猜测,造成这种结果可能与发动机安装不当有关。当时的标准设计是将发动机安装在机翼上方或下方的支撑结构上,这个支撑结构的尺寸是靠设计师的感觉来确定的,而不是根据空气动力学分析。

技术人员在螺旋桨研究风洞里对此进行了实验研究,结果表明:发动机短舱有其最佳安装方法。这个方法是将短舱做成流线型的,通过整流片与机翼前缘平滑过渡连接,而不是简单地将支撑结构直接安装在机翼上方或下方。这样,NACA飞机气动设计领域又取得了一项成果。

借助兰利实验室的风洞设施(此时主要是螺旋桨研究风洞),NACA对螺旋桨、翼型剖面、增升装置、机身与机翼/机身与尾翼之间的干扰阻力等进行了系统研究。根据研究结果设计出了翼根整流罩,并发表在1928年的一份技术札记里。类似的研究开展了很多,比如像凸出在机体表面的油箱加油口盖这样的小零件也能进行阻力测量,还能测出其对性能的影响。

航空技术领域的变革在继续进行着。

这些技术进步让飞机设计师第一次可以设计一架“干净利索”的飞机,能更加精确地估算其阻力和性能,也能知道一项小改进能否极大地提高性能。

NACA整流罩、效率更高的螺旋桨、更有效的翼型、翼根整流罩,以及对阻力产生机理的更深认识,这些都促使设计师的产品从带支柱的双翼机变为平滑的单翼机。

设计师不再认为,为了提高10千米/时的速度而采用结构复杂、重量更重的可收放式起落架很不值。空气动力学研究结果表明,增加的这10千米/时的速度会带来不小的收益。先进的可收放式起落架对客户的吸引力也更大。

当整流罩还在螺旋桨研究风洞中进行测试研究的时候,NACA已经意识到是时候建造一座全尺寸风洞了。螺旋桨研究风洞实验段的尺寸只有6米,而有些机型的尺寸已经超过了这一数值。一旦军方和航空工业界认识到全尺寸飞机测试的优点,这种测试工作将会大量增加。

在给美国联邦预算局局长的一封信里,艾姆斯博士第一次概述了对全尺寸风洞的需求。该风洞在1930年1月开始施工,1931年5月NACA第六届年会时举行正式落成仪式。

为应对一些特殊的需求,兰利实验室还建成了若干其他研究设施。

早在1927年,NACA就在兰利实验室对用加热系统预防飞机结冰进行了一些研究。1928年初,美国商务部负责航空事务的部长助理召开了一次研究飞机结冰的原因及预防方法的会议,与会者为各军事及政府机构,也包括NACA。在发现航空领域关键问题方面有独到之处的海军航空局,也请求NACA测定飞机结冰的条件并给出预防方法。

NACA针对这些要求建造了第一座冰风洞,并于1928年投入使用。该风洞的目的是研究冰在机翼和螺旋桨上的形成条件/机理及其预防,并由此给出制定防冰或除冰措施的有效方法。

这些研究最后发展成为航空安全领域的一项重要工作。正是在兰利实验室的这项工作中,刘易斯·罗德尔特又为NACA赢得了一次科利尔奖。罗德尔特因为“在发展与实际应用飞机加热防冰系统中所进行的开拓性和指导工作”,荣获1946年度的科利尔奖。

罗德特尔于1936~1940年期间在兰利实验室的飞行研究部工作,他的大部分基础研究都是这一期间进行的。1940年罗德特尔转到艾姆斯实验室工作,获得科利尔奖时他担任刘易斯实验室飞行研究部的主任。

1928年,美国陆军设在莱特地区的试飞机构开展了一系列测定飞机尾旋特性的试验。两年后,兰利实验室启用了一座自由尾旋风洞。该风洞可以让飞机模型进入尾旋,以此来模拟真实飞机自由飞时的动态特性。

为了进一步开展研究,兰利实验室建造了一座更大的尾旋风洞,实验段为15英尺(4.5米),气流速度可调,从而可以将模型固定在实验段的某个位置,能从风洞外进行目视观测。

这类风洞获得的成果促使NACA建造更加复杂的自由飞风洞,以此作为一种重要的研究手段。最终产生了在现代飞机上仍在使用的一系列模型试验技术。

兰利实验室在1931年建成了第一座流体动力学实验水池,以为水上飞机和两栖飞机设计师的研究服务。风洞可以测量飞机或模型受空气动力作用的效果并观察产生的现象;实验水池则使用类似的方法测量分析模型在水上的受力效果。

实验水池长2000英尺(610米),后延长至2900英尺(880米),主要用来测定船身式水上飞机船身外形的性能特性。通过在水池中拖动船身模型从静止达到模拟的起飞速度,兰利的科研人员可以测定其流体动力性能, 并据此对其基础设计提出修形和改进意见。

实验水池还可用来系统地发展不同的水上飞机船身外形。

几年以后,兰利实验室又建造了第二座长1800英尺(548米)的实验水池。在这座水池中,曾用陆上飞机模型进行模拟水上迫降。后来,这座水池还承担过检测“水星”“双子星座”和“阿波罗”计划的水上溅落技术。

当时,飞机的飞行速度一般不超过200英里/时(320千米/时),NACA却预计未来的飞行速度将达到500英里/时(800千米/时)。1933年末,NACA在提交给联邦紧急公共工程管理局的一份报告里概述了对500英里/时风洞(当时称“全速”风洞)的需求,并预计建设费用低于50万美元。该风洞于1936年3月建成,当年9月投入使用。风洞的工作段直径为8英尺(2.4米),足以研究大比例飞机模型和某些全尺寸部件。

这座“全速”风洞后来成为美国高速空气动力研究的先驱风洞,也为兰利实验室在高亚声速范围以及探索跨声速区奥秘方面进行完整的工作打下了良好的基础。

在第二个十年中,NACA兰利实验室还设计、启用了其他一些先驱性研究设施。

1937年初,兰利实验室签订了一座19英尺(5.8米)高压风洞的建设合同。这座风洞主要用于螺旋桨的实验研究,它可以在与使用环境非常近似的条件下测试全尺寸螺旋桨。

就在同一年的年底,第一座低湍流度风洞开始施工建设。后来的NACA低阻(层流)翼型就是在该风洞中完成的实验研究。

兰利实验室空气动力研究密切关注并始终进行的仍是飞行研究工作。1928年,一种被称为自转旋翼机的新型飞行器第一次在美国进行了飞行。这是与莱特兄弟最早的飞行器——固定翼飞机所不同的一个飞行器类型,是利用旋翼自转产生升力从而完成升空飞行的。

1931年,兰利实验室采购了一架皮特凯恩公司的PCA-2自转旋翼机,开始进行这方面的研究工作。兰利实验室的研究人员给PCA-2安装了各种实验仪器进行试飞;PCA-2的旋翼也在全尺寸风洞中进行了实验,以便比较风洞和飞行试验的相互关系。他们还在螺旋桨研究风洞中实验了PCA-2的旋翼模型,以测定尺寸效应。实验中利用安装的旋翼桨毂上的相机,拍摄桨叶在飞行中的状态以进行分析研究。

PCA-2的飞行试验包括在大幅度机动中进行的某些测试。这些测试的结果后来被应用到了现代直升机中。PCA-2安装有一对不大的机翼,可以在平飞中产生一定的升力。兰利实验室在飞行试验中还进行了改变机翼安装角的研究,不同的安装角使得机翼产生的升力也不相同。这些研究成果对后来的现代直升机设计师带来了启发,通过加装短翼来产生附加升力,以增大直升机的有效载荷或减少旋翼的载荷。

这是旋翼研究小组完成的第一个重要项目。作为一个很小的部门,旋翼小组被兰利实验室一直保持了下来,专门从事旋翼系统的研究工作。

飞行研究迅速地走向了成熟。

1931年,NACA发表了题为“用特种飞行仪表对F6C-3飞机的机动性研究”的第369号技术报告。这是一份历史性的报告,也是第一份公开发表的讨论飞机操纵品质问题的报告。直到几十年后,当兰利实验室改称兰利研究中心、NACA也变成了美国航空航天局(NASA)时,NASA下属的一些机构(包括兰利研究中心)还在投入人力物力研究这一课题。

1932年,NACA兰利实验室正式成立了飞行研究中心,专门划定了一块场地,有停放飞机的机库、单独的修理车间和工作人员办公场所。

1933年,未来美国两大民航机系列的先驱——波音247和道格拉斯DC-1进行了首飞。这两种飞机与之前机型有着根本性的区别:两种飞机都是全金属、下单翼、带整流罩的气冷发动机和可收放式起落架,均为两台发动机而非当时流行的三台发动机布局。正常情况下,两台发动机的飞机性能还是很出色的。一旦有一台发动机故障时,全机将失去一半的动力,而不像三发飞机那样只损失三分之一的功率。

发动机失效(停车)成了航空工业界非常关心的问题。1935年年中,在道格拉斯公司DC-3飞机首飞前6个月时,该公司提出一项建议,要求兰利实验室鉴定双发飞机在单发失效情况下的机动性能和操纵特性。

在空气动力学研究和飞行研究发展的同时,兰利实验室还进行着其他的研究工作。

1934年,兰利实验室建立了一座新的发动机实验室,并开始在动力系统的发展方面发挥重要作用。

新实验室的一部分工作是解决现有动力装置的问题,大多与气冷发动机的冷却问题相关。另一些研究课题是探索内燃机的原理。这种发动机虽然已经使用了多年,但人们并没有真正了解其内部的工作情况。

NACA想搞清楚这个问题,因此着手进行一系列围绕燃油点火原理和燃烧原理的研究计划。实验中采用猛然开大油门/节流阀来呈现气缸内部空气和燃油混合气体的流场,并利用兰利实验室开发的高速摄影机把流场运动过程记录下来。

兰利实验室从事飞机结构研究的科研人员并不多,但这项开始较早的工作一直在积极进行。研究中开发出的一种基本实验仪器,直到后来还用于军用和民用飞机上。这种仪器最初被称为V-G记录仪,是测量飞机在颠簸气流中飞行时经受的垂直加速度的。其目的是搜集有关大气湍流及其频率和强度的统计数据,进而根据这些数据制定出飞机的设计标准。

直到几十年后,不同型号、不同大小和不同性能的飞机,从单发私人飞机到美国战略空军司令部装备8台喷气式发动机的B-52战略轰炸机,都装有更加完善的记录仪器。采用计算机技术对记录的大量数据进行分析,就可以不断扩大人们对飞行的认识范围。

在第二个十年即将结束的时候,飞机的外形和结构发生了根本性的改变。全金属下单翼运输机主宰着各条商业航线,同样布局和结构的军用飞机也成为了各国军队空中力量的主力。

波音公司的299型飞机是当时最新型的军用飞机之一。它是后来大名鼎鼎的B-17“飞行堡垒”的原型机。波音299于1935年年中首飞,试飞中展现的性能超过了设计指标和研发人员的期望值。波音公司在给NACA的一封信中是这样表述的:

“在不久前你们向我们提供了从‘平衡襟翼上得到的数据。这些数据看来会产生我们希望得到的飞行性能,因此我们决定在299型轰炸机上采用这些数据。

“我们也十分满意地发现试飞结果非常理想,NACA对称翼型达到了我们期望的指标。看来(采用NACA对称翼型)除了襟翼效应外,当面积一定时,副翼的效率比采用常规翼型更高。

“再加上使用NACA整流罩带来的性能提高,299型的设计所取得的成果当中有相当一部分应该归功于你们的实验研究机构。我们希望,你们能不断地将‘最新的内部(研究)成果提供给我们。我们很需要NACA的帮助来改进我们的飞机设计和制造工作。”

虽然美国军方和航空工业界对NACA所做的工作和贡献有如此热情的赞赏,但也有表达不满情绪的观点,认为NACA应该完成更多的研究工作。这些观点还是有一定道理的,因为与其他国家的航空研究机构所做出的积极贡献相比,NACA对美国航空工业的贡献就稍显逊色了。

此时,人们已经认识到美国在航空研究领域的领先地位所面临的(来自国外的)挑战。1937年,NACA在给国会和总统的年度报告中强烈地提到这一点。报告中写到:

兰利实验室的各部门(在建立初期)是世界上独一无二的,它们是美国成为航空技术领袖的主要因素之一。

但是,在取得了许多研究成果后,兰利实验室的很多设备在国外被仿制,有些还做了改进,这就使得兰利实验室的设备不再是唯一的和最好的。

该报告接着提出了建议:“面对这种现状,NACA认为,为了使美国的军用飞机和民用飞机的发展不致落后于其他国家,(联邦政府)应该尽快增添新的实验设备和设施,用于航空领域急需解决的问题的研究。”

在一段时间里,该报告发出的警告并未引起各方的注意,兰利实验室和NACA继续在压力下工作,仍在使用原有的日渐陈旧和落后的设备进行研究。当时的情况下,没有改进兰利实验室的特殊理由,一般的日常工作中也没有NACA解决不了重大难题。这种态度不仅表现在如何保持美国在航空领域的主导地位这个问题,某种程度上也反映了当时美国对所有世界问题的看法。

在欧洲进行的第一次世界大战已经过去很久了,美国已经开始从这个十年早期的毁灭性大萧条中解脱出来。经济复苏让美国的政商两界都很满意,一心关注国内市场逐渐繁荣的人们,不会在意国外正在进行的火箭发动机试验和俯冲轰炸机的研发,在意大利出现的一座超声速风洞也和美国的生活没有任何关系。