美国NASA兰利研究中心的前50年（6）

杰森

在NASA兰利研究中心的第五个十年里，人类进入了太空时代。

NASA机构改组所带来的混乱，也没能阻止兰利研究中心的进步。凭借在航空研究领域打下的基础，兰利研究中心在美国的“水星”、阿波罗、“双子座”等一系列航天计划中，都做出了很大贡献。

在航天领域获得成就的同时，兰利研究中心还继续保持了其在航空研究上的领导地位。可变后掠翼方案，超声速运输机计划，高超声速气动构型……

在这个十年里，航空航天技术进步的速度很快，让兰利研究中心付出很大努力，也仅仅只能稍微领先一点。

但这并不妨碍兰利研究中心在许多领域进行的开创性研究工作。这些工作为美国航空科技实力和空中力量的强大奠定了基础。

变革与进步的第五个十年——1958年—1967年

10年概述

在NACA兰利实验室第五个十年开始时，世界航空航天的现状是这样的。

苏联成功发射了人造卫星；航空运输领域里，采用活塞式发动机的飞机仍然是主流，只是其巡航速度已经达到了二战中战斗机的飞行速度。

在1958年，喷气式运输机还未正式投入航线运营。不过，新型客机的载客量已经达到了70人。横跨大西洋的旅客大多选择乘坐邮轮而不是飞机。

在航天领域，人类还未进入太空，观察地球的高度最高也不过1万多米。在一般人的心目中，月球到地球的距离与地球到太阳的距离差不多一样远。

当时的空间探索活动，还只能从地面将探空火箭发射到高空大气层。倒是几名深潜爱好者凭借便携式氧气设备开展了深海潜水活动，发现了海洋深處是一处新的探险圣地。

而在这个十年结束的1967年，世界各条空中航线上，喷气式运输机已经牢牢占据了主流的地位。最先进的客机可以搭载超过250名乘客，以高亚声速在接近同温层的高度上飞行。

正在研制中的大型客机，设计载客人数是上个十年普通客机的10倍。在研的超声速运输机，其巡航速度是世界上第一架喷气式飞机速度的3倍还多；与十年前采用活塞式发动机的运输机相比，速度的差距就更大了。

与跨越大西洋空中航线的旅客运量相比，大西洋海上运输的客运量几乎可以忽略不计。

到了1967年，航天领域也得到了很大发展。

载人航天方面，航天员完成了环绕地球轨道的飞行、进行了太空行走、从事舱内/舱外作业、从数百千米的高空拍摄地球照片。不载人的航天器成功完成了探月飞行、放出登月探测器、从月球轨道拍摄地球上永远也看不到的月球背面、观测和找寻月面上适合的着月登陆点。

人类对海洋世界的开展的科学的系统的探索，也有了收获。在这个过程中采用的技术，很多都是人类征服天空进而探索宇宙空间所使用的同样技术。

在这个十年开始时，喷气发动机和后掠翼仅用于军用飞机，和最初航空公司用于飞行训练的几架喷气式运输机上。

超声速飞行仅限于部分空海军飞行员才能完成，而且飞行速度大多都小于马赫数2.0。

钛这种航空航天材料还不为大众所了解，在飞机结构中的总重量只能用千克来计算，还用不到更大的计量单位。

但是，技术的进步逐渐变得明显起来了。

1958年10月，英国海外航空公司开始在大西洋航线上使用喷气式客机进行运营。也就是在那一年，跨越大西洋的空中客运量第一次超过了海上航线的客运量。

1960年，美国正式宣布开始阿波罗计划，并于当年8月成功发射了“回声”（Echo）气球型卫星，首次完成了有源延迟中继通信。作为“水星”计划的一部分，美国海军中校艾伦·谢泼德完成了地球亚轨道飞行，他也是第一位进入地球亚轨道的美国航天员。

X-15研究机的4名试飞员荣获1961年度科利尔奖。他们是：美国空军的罗伯特·怀特少校，美国海军的福雷德·彼得森中校，还有已经改名为美国国家航空航天局（NASA）的两名文职飞行员斯科特·克罗斯菲尔德和约瑟夫·沃尔克。

1963年6月，当时的美国总统约翰·肯尼迪宣布美国准备研制一种超声速运输机。在欧洲，由英国和法国的飞机制造商已经开始联合研制超声速运输机，并预计于1968年年初试飞。这就是后来的“协和”号超声速客机。

1963年12月17日，正好在莱特兄弟完成航空史上首次载人动力飞行60周年的那一天，洛克希德公司（1995年与马丁-玛丽埃塔公司合并成为洛克希德-马丁公司）最新型的C-141A重型运输机进行了第一次试飞。到了1964年初，洛克希德公司又公布了一个新的研制计划A-11，让众人不禁大跌眼镜。A-11的飞行速度将达马赫数3.0，其采用的很多技术都能用于超声速运输机的研制，也有助于了解以3倍声速持续飞行时所面临的问题。美国超声速运输机计划（SST）的目标，也是要达到马赫数3.0的飞行速度。

随着防空导弹的进步，北美航空公司的XB-70超声速战略轰炸机刚完成原型机的制造就已经过时了。但在1964年9月21日，XB-70的第一架原型机仍然进行了首飞。

除了XB-70，1964年还有两种飞机进行了首次飞行。它们是通用动力公司的F-111可变后掠翼战斗机，以及由林-坦姆柯-沃特公司、瑞安公司和希勒公司联合研制的CX-142三军通用垂直起降运输机。兰利研究中心为这两种机型的方案设计和研发工作中做出了很大贡献。

在兰利研究中心的第五十周年刚开始时，美国航空界又传出了重要的消息。1967年1月，美国政府与波音公司签订了研究和制造超声速运输机机体的合同，与通用电气公司签订了发动机研制合同。

对兰利研究中心的科研人员来说，第五个十年的经历像是《爱丽丝漫游奇境》里所描述的那样，他们在这十年里努力开展各项研究工作，但并未像之前的几个十年里那样取得很大的进展。

尽管兰利研究中心的研究工作仅仅是快了一点，但也足以他们航空科研领域处于稍稍领先的地位。1958年，国家航空谘询委员会（NACA）和其他部分机构改组成为国家航空航天局（NASA）。组织机构的全面改组造成了一定的混乱局面，但美国航空航天领域最顶级科研机构的重组工作依然顺利完成了。

过去，兰利实验室/兰利研究中心是NACA唯一的实验室。到了现在，NASA已经拥有了多家实验室。其他的实验室都是在这几十年里从兰利实验室/兰利研究中心衍生出来的。

从事动力装置研究的刘易斯研究中心，是在兰利实验室于1920年成立的发动机实验室的基础上发展起来的。1999年，刘易斯研究中心更名为约翰·格伦研究中心，以纪念美国首位完成环球飞行的航天员约翰·格伦。

艾姆斯研究中心的前身森尼维尔实验室，最初也抽调兰利实验室的研究人员组成的。在这个十年里，它承担了空气动力学和航天飞行的部分研究工作。

沃洛普斯岛的无人驾驶飞机研究部最初进行的是辅助性工作。在第五个十年里，它已经开始独自进行研究工作了。研究项目包括火箭动力飞行器和用于试飞的飞机。

在穆罗克干湖床协助贝尔飞机公司进行X-1研究机试飞工作的NACA穆罗克飞行试验队，也是以兰利实验室的工作人员为核心建立起来的，此时已经发展成为了飞行研究机构。这就是现在的NASA德莱顿飞行研究中心。

1961年10月24日，在得克萨斯州休斯顿成立了一座新的研究中心，其规模让NASA的其他研究机构都相形见绌。当时它被命名为载人航天飞行中心，其前身是兰利实验室的航天任务小组。1973年，为纪念美国前总统林登·约翰逊，该中心改名为林登·约翰逊航天中心。

兰利实验室许多有经验的科研人员，陆续进入了后成立的这些研究机构中。从兰利实验室的风洞和其他研究设施上获得并发展起来的航空技术，被用于解决在航天飞行中遇到的那些难题。为以前的平直翼、活塞发动机飞机缩尺模型做试验的风洞设施，现在被用于对载人轨道飞行器/航天器的升力体外形进行吹风试验。

在这十年中，NASA各研究机构，甚至整个美国航空航天领域的进步，可以说都是建立在当初NACA兰利实验室/兰利研究中心坚实的基础上的。

NACA兰利实验室的研究工作

苏联成功发射第一颗人造卫星，是美国空间探索计划爆发式发展的最好的催化剂。

在苏联第一颗人造卫星于1957年10月4日成功进入地球轨道后还不到一个月，当时的德怀特·艾森豪威尔总统就宣布任命麻省理工学院院长詹姆斯·基利安博士为白宫的特别科学顾问。

接着，美国国会对美国导弹和航天计划进行了一次调查，并在国会的参众两院都成立了负责航天事务的特别委员会。

美国火箭协会和国家科学院联合提议，创建美国国家航天局。

1958年1月，艾森豪威尔在提交国会的国情咨文中提到成立国防高级研究计划局（即后来的DARPA），以便把国防部范围内所以的反导弹和发射卫星等航天活动的工作都集中起来。

到1月下旬，美国参议院军备调查小组委员会提交了一项一致通过的报告，要求成立独立的航天局，并对国防部内所以导弹和航天计划进行一次组织机构上的大调整。

艾森豪威尔的政府组织顾问委员会建议，把所以非军事性的航天活动集中到一个民用航天局，这个局应以国家航空谘询委员会（NACA）为基础。

1958年3月5日，艾森豪威尔批准了上述建议，并于当年4月2日向国会提交了成立民用航天局的议案。

1958年4月2日至7月16日，国会制定了1958年国家航空与航天法案。1958年7月29日，国家航空与航天法案经艾森豪威尔签署生效。

艾森豪威尔在法案签署生效的声明中指出：“目前的国家航空谘询委员会（NACA）连同其大量有才能的人员及设施精良的实验室将成为国家航空航天局（NASA）的核心……把开发宇宙空间的职责与NACA传统的航空研究职能协调起来是一种自然的发展……”

艾森豪威尔提名基斯·格伦南博士为国家航空航天局第一任局长，NACA主任休·德莱顿（德莱顿飞行研究中心就是以他的名字命名的）为副局长。他们的提名经国会讨论通过后得到批准，并于1958年8月19日宣誓就职。

两天以后，他们参加了NACA的最后一次会议。从1958年10月1日起，新成立的国家航空航天局正式开始办公。

NASA的时代开始了。

可以肯定，艾森豪威尔在签署航空与航天法案的声明提到的“自然的发展”是有所指的。在NASA成立前，NACA的科学家已经开始考虑到载人航天器的问题。他们对载人航天器从地球轨道返回所面临的问题进行了研究，并提出了3种方案：带热防护屏障的弹道式返回舱、高超声速滑翔体和升力体。

NASA成立后，兰利研究中心的研究人员继续对航天飞行科学做出重大贡献。他们开发出了用于进一步研究航天飞行有关问题的专用试验设备，并改进现有的设备以适合当前新的用途。

1958年，NASA被指定负责美国的载人航天飞行计划。在两位局长宣誓就职一周后，NASA组建了以兰利研究中心为基地的航天工作组。工作组成员包括来自兰利研究中心和刘易斯研究中心的45名研究人员。

航天工作组中来自兰利研究中心的成员对载人航天飞行的有关问题并不陌生。在小组成立前，他们已经开始研发“小家伙”试验飞行器。该飞行器后来成为了“水星”计划的主要部分。蘭利的航天研究人员利用现有的洲际弹道导弹作为运载装置、用导弹再入体构型作为乘员舱，验证了载人航天器计划的可行性。兰利研究中心还提出了用于航天飞行的“等体座椅”方案，并造出了样品进而验证了其可行性。后来的航天飞行中乘员舱内都采用了这类座椅。

当时，兰利的研究人员还草拟了航天飞行的初步技术要求，1958年6月为“水星”计划所采用。到了当年8月份，NASA组建航天工作组的时候，他们已经准备就绪了。

工作组成立后，研究人员设计了“大家伙”试验飞行器，验证了烧蚀热防护屏障的可行性；为“水星”航天员研制了程序训练器，这是后来航天飞行的各类综合模拟器的基础。兰利研究中心也承担了支持任务，为“水星”的跟踪网制定计划并负责管理有关合同。

兰利研究中心的科学家还开展了一些与载人航天飞行有关的辅助项目。比如，“火烧项目”（研究再入段受热及其对返回舱材料的影响）；“RAM”项目（集中研究如何克服再入段黑障现象导致的通信衰减/中断问题。黑障现象是因再入段中高温在返回舱周围形成等离子区形成的）；研发各种红外探测器，以便航天器中的乘员分辨哪一面是“上”。

可在太空自动膨胀的卫星（类似“回声”那样的气球型卫星），最早是由兰利研究中心提出设想并研制出来的。可膨胀航天器也是如此。这种航空器是解决空间站/轨道实验室载人问题的一种途径。

为了研究航天飞行中返回舱发生黑障现象那个特殊阶段的问题，沃洛普斯无人驾驶飞机研究部采用多级火箭的方法，获得了高达马赫数26的再入段飞行速度。

兰利研究中心的科学家还研究了空间对接和从最初确定的轨道实现分段飞行的问题，之前他们已经确定了月球轨道对接的价值。由此奠定了阿波罗计划的基础，并完成了可用的各种尺寸的发射方式和乘员舱

在这个十年过去之后，为了发送有关月球表面的地貌信息，兰利研究中心设计并成功实施了一系列的“月球轨道探测卫星”计划。

“水星”计划发展成为了阿波罗计划。该计划最初公布的目标仅仅是搭载数名航天员绕地球或月球轨道持续飞行，后来扩大为解决载人登月探险所面临的问题。“双子座”计划就是为了研究航天器轨道对接和停靠的问题而开展的。这些问题都是阿波罗计划后续阶段将要面对的。

从这里可以看出，兰利研究中心对航天飞行和航天科技的发展做出了很大贡献。这表明，兰利实验室/兰利研究中心将多年来获得的航空学的基础知识，又进一步发展应用于解决航天飞行所遇到的问题。

兰利研究中心在航天领域做出贡献的同时，还继续保持了其在航空研究上的领导地位。能够完成这么多不同的科研工作（比如跟踪在轨航天器的大规模无线电网络的规划、自动膨胀的气球型卫星/航天器的研制），也充分说明了兰利研究中心的科研实力。

从事这些研究工作的科学家，经常是这一周在研究航天问题，下一周就换成了航空学的课题，再下一周可能又去研究再入段的物理现象。这段时间，正是兰利研究中心的全体人员忙着NASA成立后的改组工作，面临着扩充人员、增添设备的压力，同时还要兼顾与外部承包商签订合同，监督与管理各个项目。

让我们再回到兰利研究中心在航空领域的工作上。

在上个十年中，兰利研究中心曾开展过超声速飞机气动布局的基础研究工作。在这个十年初期，该研究工作开始分成两个重要的研究方向。

一个方向是研制可以执行多种任务的飞机。这种飞机的设计思路，要求从低速到高速、从低空到高空的性能都比较突出。为了实现这个对常规布局飞机的来说难以兼顾的设想，最终采用了可变后掠翼的设计方案。

另一个方向是研究超声速运输机的各种构型。研究成果应用到了波音公司于1967年中标的设计方案中。

通过在这两个方向上的研究，解决了许多持续超声速飞行中遇到的复杂问题。比如，在兰利研究中心的风洞中开展的有关进气道、尾喷管和进排气口的实验研究，所获得的成果被航空工业界的多项军用飞机设计方案所采用。底阻研究是作为TFX（Tactical Fighter Experimental，实验性战术战斗机）计划的一部分开展起来的，后来在由TFX发展成的F-111战斗机减阻设计中发挥了重大作用。当然，从开始进行研究，到获得成果并最终在多个项目中得到应用，需要花费时间进行大量的研究工作。

在第五个十年的最初几个月，与可变后掠翼有关的研究工作主要是讨论、评估和实验英国的“燕”式可变后掠翼方案。应邀参加评估的兰利研究中心专家对“燕”式方案给予了不错的评价，并以此为基础开展了一项联合研究计划。兰利研究中心在16英尺（4.8米）跨声速风洞中开展了尾喷管喷气试验和其他一些相关试验。通过这些实验可以发现兰利研究中心提出的“燕”式改型的某些特点。

在联合研究中，兰利研究中心承担了制造试验模型和进行风洞试验的大部分工作。他们利用过氧化氢分解来模拟风洞试验中的喷气效应。在该计划结束后相当长的时间内，兰利研究中心制造的“燕”式飞机模型和对它进行的风洞试验，都认为是其风洞实验室进行过的最复杂的试验之一。

由于种种原因，“燕”式方案的研究工作被放弃，后续的研究采用了发动机置于机身内的方案。研究变几何特性的试验工作仍在继续进行。

在各种可变后掠翼飞机模型上所做的试验表明，在机翼后掠时稳定性变化很大。这也是贝尔飞机公司的X-5和格鲁门公司的XF10F-1研究机的机翼在后掠时需要向前移动的原因。

后掠时机翼前移这种方案的最大问题，是机械结构复杂，设计难度大。兰利研究中心的工程师认为，只要机翼无需前移就可以解决这个难题。他们开展的试验研究的目的之一，就是解决机翼后掠时稳定性变化大的问题。

兰利研究中心在开展试验研究的同时，还进行了机翼展向载荷的分析研究。結果表明，如果将后掠翼的转轴点向机身两侧外移，而不是放在中心线上，后掠时的稳定性变化可以大大减小。对这种布局的模型进行的试验，证实了这个结论。这一发现是可变后掠翼飞机获得成功的关键。

外侧翼轴使得机翼在后掠角变化很大时也无需前后移动。对外侧翼轴进一步的试验表明：超声速巡航性能和之前超声速飞行研究中最佳后掠角布局方案的性能一样优秀，最大飞行速度也与当时所能设计出来的最好的后掠翼飞机基本相同。

1959年年中，美国海军计划装备一种执行制空/截击任务的战斗机。NASA向海军高层及其参谋人员简要地介绍了可变后掠翼布局的研究成果。这些成果有望用于一种重50000磅（22.68吨）的多用途海军战斗机。该机能够遂行空战与截击任务，同时还能用于高空攻击或低空突防。按照当时在可变后掠翼研究中得到的资料，这类多用途飞机的设计方案应该能够实现。

尽管这种多用途战机，当时还仅是根据有限的风洞试验数据和尚在研制中的发动机完成的设计方案，但其表现出来的纸面性能却极具潜力，以致完全超过了同时期正在研制或计划中的任何武器系统。

可变后掠翼的研究成果，又向兰利地区附近的美国战术空军司令部的总部官员介绍了一次。这次来旁听的介绍的还包括战术空军的普通参谋人员。之后，NASA的一个小组又在航空工业界的系列技术报告会上介绍大致相同的内容。在不到一个月的时间里，该小组与8家主要的航空航天企业进行了交流，让后者了解可变后掠翼的设想，以及NASA正在开展的研究工作和取得的成果。

1959年8月中，兰利研究中心接到一封信，信中表示美国空军研究与发展司令部（后改称空军系统司令部）接到指示，将对兰利研究中心可变后掠翼设计方案做进一步了解，以确定其能否满足空军的要求。

1959年9月至1960年1月，兰利研究中心根据新的研究资料为航空工业界举行了第二轮报告会。在为海军举行的一次报告会上，兰利研究中心的科学家表示，如果可以根据一型全新的涡扇发动机来设计机体，才能充分发挥可变后掠翼设计方案的优势和全部潜力。

可变后掠翼方案的研究工作仍在加速进行，并主要围绕战术空军司令部提出的一种航程很远、低空性能优异的战斗机展开。兰利研究中心提出了一系列的设计草图，空军也同时开展了类似的方案设计研究。

研究人员根据气动布局的详细要求设计了4种方案；由兰利研究中心的车间里分别制造了缩尺模型；用8英尺（2.4米）跨声速风洞进行了试验；对得到的试验数据进行分析后送交位于莱特·帕特森空军基地的空军研究与发展司令部下属的航空发展部。所有这些工作都是在13天内完成的。对于这项被称为“赶快计划”的任务，到也是名副其实。

之后进入到了“赶快计划”的第二阶段。兰利研究中心为美国军方做了情况介绍，继续进行更深入的分析、研究和试验。研究人员选取了为海军设计的一种布局方案，制作模型并在全尺寸风洞中进行了自由飞试验。这在可变后掠翼飞机的研究中还是第一次。风洞试验中，机翼的后掠角从25度增大到75度，模型的稳定性和操纵性都没有出现问题。

到了1961年2月，兰利研究中心的研究工作、空军和海军的需求，以及军方/航空工业界进行的研究最后整合在了一起。时任国防部长的罗伯特·麦克纳马拉决定，根据陆军、空军和海军的需求，联合研制一种三军通用的战术战斗机（后因陆军退出，变为了海空两个军种的通用战斗机）。

这就是前面提到的最初称为TFX计划、后来获得F-111编号的战斗机。在这项计划中，兰利研究中心为之前的多用途飞机所做的可变后掠翼方案起了关键作用。之后，兰利研究中心进行的工作为军方和航空工业界相关部门的设计方案提供了更完美的计算数据。甚至到了原型机试飞阶段，出现的一些問题还是交由兰利研究中心的工程师来解决的。

在F-111战斗机项目之后，可变后掠翼的研究工作仍在继续。除了有关F-111战斗机或其他军用机型（比如著名的F-14“雄猫”舰载战斗机）的问题外，还有一些研究工作是围绕着超声速运输机展开的。

1959年年底，兰利研究中心派出的一个小组在华盛顿向当时的美国联邦航空局局长奎萨达介绍了超声速运输的技术状况。时间恰好在为军方和航空工业界所做的一轮关于可变后掠翼方案的报告会之后。

在兰利的超声速运输机报告的序言中写道：“如果任务仅仅要求以设计速度（超声速）和巡航高度飞行，没有其他复杂的飞行状态或突发情况发生，那么长距离洲际航线的经济性很容易让运营商获得商业利益。但是中程运输机既要能在巡航高度以超声速飞行，又要频繁以较低速度爬升和下降，在气动力设计上会带来一些必须解决的问题。目前的研究表明，通过某种方式改变机体几何形状（比如采用可变后掠翼），加上先进的涡轮风扇发动机，可以很好地解决上述非设状态中的计问题。根据现有航空研究水平，在非设计状态中出现的重要问题，都可以采用集中力量进行研究的办法来解决。”

后来以“超声速运输机——技术总结”为题、作为NASA技术报告D-423发表的这份划时代的报告中，还继续讨论了性能、噪声、结构和材料、载荷、飞行品质、跑道和刹车要求、空管、使用变几何形状设计及由此带来的性能改进等方面的内容。

这份报告的出现，标志着是时候开始设计和研制一种超声速运输机了。几个星期后，NASA和联邦航空局推出了一项联合计划，当年就签署了动力装置研发工作的第一批合同。因为在超声速运输机计划中，合适的动力装置是需要同时解决的问题。

就像在F-111战斗机计划中那样，兰利研究中心对美国超声速运输机的发展也做出了很多贡献。兰利的研究人员为计划中遇到的很多问题提供了有价值的建议，对其进行了理论分析和试验研究，在风洞中完成了静态模型和模型自由飞试验。

兰利研究中心对超声速运输机计划的主要贡献，应该是所谓的“超声速商业航空运输”（SCAT）系列布局研究工作。

SCAT布局研究工作是在1962年随着超声速运输机计划的发展而开始的。目的是开发出一种在预定的性能范围内（起飞、爬升、巡航飞行、下降、着陆）符合商业航班要求的超声速运输机的特殊布局。比如，其中一个目标是找出比XB-70巡航飞行时大很多的升阻比。其他的目标包括提高布局方案在非设计状态下经济而有效地工作的能力。

在超声速运输机计划的早期阶段，兰利研究中心的工作集中在两种不同的布局方案。一种采用可变后掠翼，被称为SCAT-15，后来成为整个超声速运输机计划的基石之一。另一种被称为SCAT-4的，是机翼后掠角不可变的方案。该方案将机翼、机身、发动机和尾翼结合成一种大后掠角、有一定弯扭度的融合体飞机，目的是将由升力产生的波阻减小到最低。由此产生的一些设计思想，后来被推广到其他飞机设计上，但在当时尚未在具体设计方案中得到应用。

1963年初，NASA选出了4种有价值的SCAT方案开展进一步的研究。在4中方案包括上述的SCAT-4和SCAT-15，从SCAT-15演变出来另一种可变后掠翼方案SCAT-16，以及三角翼鸭式布局方案SCAT-17。最后一种方案是艾姆斯研究中心搞出来的。航空工业界根据NASA的研究合同对4种布局进行的研究表明：SCAT-16和SCAT-17性能最好。后来，波音公司和洛克希德公司提出的两个互相竞争的方案，就是以SCAT-16和SCAT-17为基础发展来的。

科学家们从SCAT及其相关的布局研究中获益良多。理论和试验同步进行开展，并不断在相互间交换新的资料。通过逐步的研究和修订，理论已经能够估算真实气流状态了。随着每种设计的气动力参数开始改进，采用理论方法估算这类参数的能力也在提高。

理论分析和试验数据之间的偏差日趋缩小，使得设计师们能够让各种飞机的气动力特性最佳化，并预估这些气动力特性。

1964年，人们开始估算这些参数的计算机程序。在应用到超声速运输机设计的过程时，进一步发展到能估算飞机的升力系数与阻力系数关系的曲线，误差不超过3%。通过计算来预估性能，可以说是空气动力学的重大变革，这意味着可以用比以前少得多的时间对多种气动布局进行研究。方案设计中的细小修改对整体性能的影响，可以通过计算机程序在几小时内估算出来，而以前采用试验的方法可能需要几周的时间。

这种方法进一步发展后，能够计算出因飞行载荷或不稳定气流的作用而产生变形的飞机的性能。

随着计算机技术的发展，这种方法最终发展成为了一门交叉学科——计算流体力学（CFD）。

但在50年前，计算机技术还不能与今天相比。在超声速运输机计划进行方案设计时，计算机程序在描绘出试验飞机气动布局的几何形状后，其输出结果先要记录在穿孔纸带上，再输入到能读取穿孔纸带的数控机床，只需几小时就能制造出试验飞机的风洞模型。

但是，即便是最光滑、波阻最小的气动布局，也会在超声速飞行时产生声爆。从超声速运输机计划的早期阶段，兰利的研究人员就一直在以各种方法研究这个问题。

按照兰利研究中心的惯例，他们的研究工作既有理论分析，也有试验研究。研究人员对超声速飞机在飞行中经过指定地点的声爆强度进行了测量，将测量结果与理论值进行了比较。在兰利的超声速风洞中，人们制作了几个胸针大小的飞机模型进行了试验，以确定声爆的物理特性，和导致产生声爆并引起其性质变化的参数。

兰利研究中心在技术上的创造性，使其在超声速运输机制造出来之前就能在试飞中体验和研究超声速运输机的某些特性。用于研究邊界层控制的、由波音707-80原型机改装的研究机，经过进一步改装成为了变稳飞机，其操纵品质可以进行改变，以模拟超声速运输机的进场和着陆特性。兰利研究中心的试飞员驾驶经过改装的飞机，进行了一系列飞行试验，以评估超声速运输机的各种参数，并为航空工业界分析了这些数据。

几年来，NASA和联邦航空局一直在联合进行一项空中交通模拟计划，目的是研究超声速运输机进入现有空中交通管制系统后会产生的问题。兰利研究中心安装了带超声速运输机座舱的飞行模拟器，并与联邦航空局位于新泽西州大西洋城的国家航空设备试验中心的空管系统模拟器相连。

第一个试验项目，是研究一架典型的超声速运输机（飞行特性按SCAT-16布局设定）到达和飞离约翰·肯尼迪国际机场时的飞行情况。

来自联合航空公司和环球航空公司经验丰富的民航飞行员们担任超声速运输机的模拟飞行任务，即驾驶超声速运输机在每小时高达148架次的飞行高峰时段做进场和离开飞行。这是前所未有的飞行，他们很快就体验到了超声速运输机在机场附近区域飞行所遇到的短期和长期问题。

兰利研究中心在结构和材料方面长期的研究经验，在超声速运输机材料选择上发挥了重要作用。研究人员使用了金属试验的标准技术：把部分试验件加热到运输机以马赫数3.0飞行时的温度，使其承受交变或恒定温度，按照一定的周期间隔进行试验，以测定其物理特性的下降程度。

另一些试验件根据超声速运输机的典型飞行状态进行加热循环试验，然后在室温下检查其疲劳特性。

在亚声速空气动力学方面，兰利研究中心开展的一些研究工作是为了开发先进的飞机气动布局方案。比如，有一项研究是研发巡航速度高于现有喷气式运输机的新一代亚声速运输机。当时的喷气式运输机平均巡航速度还不到马赫数0.80，而研究表明，新一代运输机的巡航速度理论上应能达到马赫数0.98。

采用超临界翼型是大幅度提高亚声速巡航速度有效方法之一。这种翼型剖面与正常翼型相似但是上下颠倒，机翼后缘还增加了一道开缝。它能把来自机翼下表面的高能气流和上表面能量较低气流相混合，从而保持边界层附着在机翼上，防止由于边界层分离而引起的的跨声速阻力的急剧增加。

1964年，参加“兰利研究中心外场测试”活动的人们发现当初的那架波音707-80研究机以148千米/时的惊人低速近乎水平地飞行（迎角很小），而喷气式运输机的正常进场速度大约为240千米/时。

这种低速性能是由于使用了边界层控制系统。这是兰利研究中心多年来一直研究的亚声速空气动力学的另一个方向。

各种形式的边界层控制，多年来已经存在，并不同程度地应用在很多地方。而最有效的边界层控制应用，则需要平行于机翼表面，或越过襟翼前缘吹入大量空气，以保持上翼面总有气流并防止边界层分离和升力降低。

兰利的这架波音707-80研究机应用的就是上述的边界层控制。

空气顺着导管沿机翼引入，向襟翼前缘吹出。襟翼偏转角最大可达70度。要维持边界层控制系统吹气，需要发动机提供较大功率。而进场时发动机通常都是在低功率状态下运转，所以有足够的剩余推力可以利用。兰利的波音707-80研究机使用了一个推力调节系统，可以迅速有效地控制下滑轨迹，并与速度自动调节系统相连。

这个具体的边界层控制方案，是由波音公司提出并安装在波音707-80研究机上的。兰利研究中心的试飞员对其进行了飞行鉴定，以评估和测定在动力-升力飞行状态中工作的大飞机的操纵品质。

兰利研究中心的某些研究项目，在工作展开后几年内就收到了成效。比如为可变后掠翼飞机和超声速运输机所做的工作。但另一些研究项目，从证实其可行性到实际应用所花的时间则要长得多。

为减轻阵风的影响所进行的研究即属于后一种情况。对任何飞机来说，平稳飞行总比剧烈颠簸要好。平稳飞行的飞机，机上乘员舒适性要好很多，机体结构的受力也少，全机的疲劳寿命可以延长。对军用飞机来说，平稳飞行更易于构成稳定的射击/武器发射平台。

兰利研究中心很早就对减轻阵风影响产生了兴趣，在1950年就在这一领域展开了正式的研究工作。

兰利的研究人员对减轻阵风影响的理论进行了探索研究，并研制出了一种试验性的装置，装在一架比奇公司C-45双发轻型运输机上进行试飞。结果表明，该装置确实有效，能减轻阵风的影响，使飞行更加平稳。

这次飞行试验报告于1961年发表在NASA的一份技术札记上。与此同时，航空工业界也开展了同类的研究，并提交了关于塞斯纳310和北美XB-70这些不同类型飞机的阵风抑制系统的技术报告。

当时，美国空军出资开展了一项研究计划，将阵风抑制系统装在波音B-52轰炸机上进行飞行评估。该计划即将开始飞行试验。空军希望该系统能将B-52这种大型飞机的挠性机体的结构寿命延长70%～100%。

NASA的科学家表示，这项技术同样可以用于公务机或小型的私人飞机，技术水平也达到了实用的标准。

X-20戴纳-索尔（Dyna-Soar）航天飞机发展计划是由NASA和空军联合管理的。戴纳-索尔航天飞机（或称航天动力滑翔机）是研究机思想的发展，目的在于把飞行范围从X-15的速度扩大到轨道速度。

戴纳-索尔计划的很多支持工作是在兰利研究中心完成的，包括在全尺寸风洞进行模型自由飞试验，以测定气动稳定性和操纵特性。

戴纳-索尔计划的其他技术支持工作包括：从直升机上投放无线电遥控的无动力模型试验；在8英尺（2.4米）风洞进行的航天飞机/动力滑翔机与运载火箭组合体的跨声速试验；在16英尺（4.8米）跨声速风洞进行的跨声速稳定性和操纵性试验。戴纳-索尔的高超声速风洞试验是在兰利研究中心11英寸（28厘米）高超声速风洞中完成的，试验时马赫数达9.6，目的是测定小迎角时的稳定性和檢查机头和座舱盖形状对稳定性的影响。

戴纳-索尔采用了一种特殊的滑橇式着陆装置而不是常规的轮式起落架，因为轮胎无法承受再入段的高温。戴纳-索尔的着陆装置是在兰利研究中心的着陆载荷滑轨上进行试验的。

戴纳-索尔的热传导测量和颤振特性也属于兰利研究中心的研究范围。

围绕戴纳-索尔和X-15所进行的工作，在结合那几年开展的理论研究，为典型巡航速度为马赫数7.0的高超声速飞行器研究奠定了基础。在这种飞行速度下，飞行器机头罩位置的温度超过2000华氏度（1093.3摄氏度），机翼前缘温度达1600华氏度（871.1摄氏度）。

兰利研究中心的基本工作集中在高超声速飞行问题的3个方面。

首先是气动构型的研究。研究人员分析了能在马赫数7.0的速度下有效飞行的外形方案，并在高超声速风洞中进行了试验。

其次是机体结构方案。由于高超声速飞行时因气动加热导致温度极高，必须找到特殊的结构方案，使飞行器的结构保持完整，同时还能保护乘员不受高温伤害。

兰利研究中心设想了多种结构方案，可以承受载荷、耐高温、储存燃料并保护乘客不受热辐射伤害。其中一种方案类似热水瓶的原理，采用了同心/同轴的两层结构：外层为主承力结构，内层是液氢燃料箱。承受气动载荷和高温的外层结构是用特种合金制造的。

第三方面工作是材料选择和研发类似上述特殊用途的新材料。

加雷特公司为兰利研究中心制造了一台小高超声速冲压发动机。通过对这种发动机的试飞，极大地促进了高超声速推进技术的发展。该发动机的使用速度范围是马赫数3.0～8.0，装在X-15研究机上进行飞行试验。发动机为轴对称式，直径46厘米，重量362千克。

兰利研究中心设计这类发动机的指定方针是尽量减少发动机的活动部分，强调内流和循环的空气热力学。重量限制其结构必须精巧，再生式内冷却也要精心设计，以使用最少的液氢燃料。

兰利研究中心还进行了飞行器气动加热方面的许多创造性的研究工作。这些工作是在兰利的9英尺×6英尺（2.7米×1.8米）热结构风洞中进行的。该风洞于1958年投入使用，在试验段使用热空气，能够模拟马赫数3.0的飞行环境。

1967年，为进行马赫数7.0的飞行器结构模拟，兰利研究中心起用了一座名为“8英尺（2.4米）高温结构风洞”的新设备，可以进行高超声速飞机的结构方案和完整部件的试验。在当时是世界上唯一能完成上述试验的风洞设施。

在这个十年中，除高超声速飞行外，兰利研究中心的另一项重点工作是评估各类垂直/短距起降飞机和直升机的操纵品质。验证机、原型机和量产机型都曾出现在兰利研究中心的试飞场，被装上各种测量仪器，按一系列试飞大纲进行飞行测试，以获得有关这些机型的飞行数据。

兰利研究中心在垂直/短距起降飞机方面做出的贡献之一，是提出了倾转翼的设计方案。该方案后来应用于XC-142三军联合垂直/短距起降运输机。

研究人员使用倾转翼设计方案的模型，在17英尺（5.2米）低速风洞中进行了试验研究。结果表明这种设想具有一定的可行性，该方案的模型可以悬停，能够完成从垂直到水平状态的过渡飞行。

NASA的这项研究工作分3个阶段：用各种构型的小比例模型做风洞试验研究；在艾姆斯研究中心的40英尺×80英尺（12.2米×24.4米）风洞中对大比例模型开展试验研究；用原型机或研究机进行飞行测试。

伏托尔公司的伏托尔76（又称 VZ-2）在兰利研究中心进行了广泛的评估和改型。其飞行试验为倾转翼飞机的飞行操纵品质、进场和悬停阶段飞行参数提供了大量的数据。

当三军联合运输机提出设计要求时，兰利研究中心即开始进行技术支持工作。包括：在兰利全尺寸风洞中用1∶9的缩尺模型做遥控飞行试验；在风洞中进行从悬停到向前平飞的完整的过渡飞行，以检验真飞机的相关性能。

在同一时期，兰利研究中心还试验了倾转涵道风扇垂直起降飞机的设想。之后贝尔飞机公司为美国海军研制的X-22A就采用了这种设想。

另外，兰利的研究人员使用通用电气/瑞安公司的XV-5A垂直起降飞机（该机的升力风扇安装在机翼上）进行了垂直起降研究，以测定壁面效应和其他限制对自由飞模型性能的影响。

兰利研究中心将一架伏托尔公司的双旋翼直升机进行了改装，使之成为了变稳定性直升机，用于开展一项飞行试验计划。目的是评估和测定不同特性的直升机和垂直起降飞机进行机动飞行时所需要的操纵力。

兰利研究中心对飞行器与飞行中经常出现的问题一直比较关注。通过对这些问题的研究，兰利研究中心在航空安全领域也做出了不少重要贡献。

兰利研究中心最早对轮胎打滑现象进行了分析和评估，也第一个对向航空和汽车工业指出了这种现象的危害性。

飞行仪表的精度、特别是市面上高度表的精度的提高，也得益于兰利研究中心的相关研究。在对空中防撞问题进行研究时，兰利研究中心发现，如何让飞行员在确定的高度保持稳定飞行的能力是关键因素。而无论是手动操作还是使用自动驾驶仪，当前飞行仪表的精度对这个能力有很大影响。

尾流也是影响飞行安全的因素。当一架大型飞机进场降落后，其航迹上会留下可持续数分钟的涡旋尾流，其强度足以让紧随其后降落的小型飞机失控。兰利研究中心一直在研究这种尾流区域的大小，以及减小或躲避的方法。

跑道上存在半融化积雪的时候，飞机的起飞距离会加长。兰利研究中心通过对半融雪问题的研究，找到了在1.27厘米厚度以上的半融雪跑道上起飞的方法。

兰利研究中心开展的研究项目还有很多，几乎覆盖了航空领域的各个方面：飞机的日常运营阶段，原型机的研制试飞阶段，甚至是探索新的飞行领域的方案设计阶段。

1967年，是兰利实验室建立并开始探索飞行的相关问题，最后将获得的成果付诸实践的第五十个年头。

在这五十年中，兰利实验室/兰利研究中心完成的工作，为美国航空科技实力和空中力量的强大奠定了坚实的基础。

結束语

从1917年兰利实验室破土动工，到今年正好是100年。

美国航空科技的领先地位，就起始于100年前建立的美国国家航空谘询委员会第一座实验室。而兰利实验室/兰利研究中心的前五十年在其中占有特殊的地位。

诞生于第一次世界大战中的兰利实验室/兰利研究中心，经历了两次大战中间的和平年代，经历了第二次世界大战的残酷血腥，经历了战后东西方两大集团长期对峙的冷战时期。在这五十年里，飞机的飞行速度从不到100英里/时（160千米/时）发展到了4000英里/时（6440千米/时），航空航天领域的技术革命接连出现：喷气发动机、火箭发动机、后掠翼、可变后掠翼、超声速飞行、旋翼机、垂直飞行、导弹、卫星、载人航天、登月、太空探索。许多原理被人们发现，航空知识进一步发展，成为了人们探索太空的技术基础。这些成果，有很大一部分是由NACA兰利实验室/NASA兰利研究中心的研究人员开创和发展起来的。

而这一切，起源于兰利机场的奠基仪式，起源于最先被挖出的那几锹土。

“刨开弗吉尼亚温暖土地的人们仰望天空。天气晴朗，充满阳光，但他们却看到了满天繁星。”