美国NASA兰利研究中心的前50年(5)

2017-03-06 19:22:05 航空世界 2016年12期

杰森

第二次世界大战后1948年到1957年这十年,是航空技术高速发展的十年。

这个高速,首先体现在飞机的飞行速度上。自从上个十年末人类突破了声速以后,飞机(尤其是军用飞机)的飞行速度持续提高。面积律的出现是飞机设计领域的一项重大成就,它让跨声速和超声速飞机的设计有了可靠的理论依据和实用工具。至此,持续超声速飞行成为可能,X系列研究机更是把飞行速度提高到了马赫数2.0甚至3.0。

空气动力学和飞行理论的发展也很迅速。NACA兰利实验室对跨/超声速飞行的相关问题进行了研究。通过风洞试验、飞行试验、模型飞行试验等方法,对高速飞行的稳定性和操纵特性的研究都取得了不错的成果,并促成了适合高速飞行的气动布局和可变后掠翼等概念的出现。

对超声速和高超声速的研究,让人类进入了地球大气层之外的新领域。在这个领域,航空技术已经不再适用,由此诞生了航天技术。

人类进入太空时代后,美国国家航空咨询委员会(NACA)在下个十年中成为国家航空航天局(NASA),也是顺理成章的事了。

战后的十年——1948-1957年

10年概述

飞机的类型急剧增多、飞行性能迅速变化,是NACA兰利实验室在第4个十年中研究工作的特点。这些类型和性能的变化,很多都是源于NACA研究成果所获得的新技术而实现的。

从1948年到1957年,美国空军和海军现役战斗机的飞行速度在这十年里提高了一倍。

1948年9月,北美航空公司生产的一架标准型F-86A“佩刀”战斗机,把飞行速度的世界纪录提高到670.981英里/时(1080.279千米/时)。十年后的1957年12月,麦克唐纳飞机公司(1967年与道格拉斯公司合并成立麦道公司,1996年被波音公司并购)的F-101A“巫毒”战斗机以1207.6英里/时(1944.2千米/时)的速度,打破了英国费尔雷航空公司的德尔塔Ⅱ(F.D.Ⅱ)无尾三角翼研究机于1956年3月创造的纪录。

航空运输的速度也在提高。

1948年,世界上第一架涡轮螺旋桨发动机客机——英国维克斯公司研制的“子爵号”进行了首飞。第二年,首架喷气式客机、英国德·哈维兰公司的“彗星”也完成了首飞。

1952年5月,英国海外航空公司(BOAC)将“彗星”客机投入了航线运营。两年后,一连串的事故让“彗星”从商业航班的机队中消失了。航空工业界也由此发现了金属疲劳现象。

在这个十年里,探索性研究的专用飞机,已从贝尔飞机公司的X-1发展成为了一系列用于试验和分析航空领域新问题的型别各异的飞机。正是这些X系列研究机,使得飞行速度从X-1的马赫数1.06,提高到了2.0,到后来又突破了3.0。

在这期间,垂直起降飞机的研究开始了探索性的步伐。朝鲜战争期间,直升机在战场上获得了很好的表现,但也暴露出了旋翼飞行器的许多不足。因此,也促进了固定翼垂直起降飞机在后来得到了很大发展。

从F-100开始,美国为其空军研制和装备了若干型采用1××编号的战斗机。这就是后来被称为“百字头”的系列战斗机。它们的出现,表明战斗机的飞行性能和作战性能达到了一个新的标准。同时,“百字头”战斗机也带来了稳定性和操纵性的问题,比如滚转耦合、上仰等。为了解决这些问题,飞机设计师和NACA的研究人员曾经大伤脑筋。

在1957年的最后几个月中,北美航空公司得到了研制XB-70轰炸机的合同。XB-70是一种飞行速度可达马赫数3的战争利器。

在1948-1957年的十年间,飞行速度和航程的增加,让运输机、轰炸机等大型飞机也开始发生变化。

1948年6月开始的“柏林空运”中,执行战略空运任务的均为二战时期的运输机,都是在战前设计的型号,装备活塞式发动机。在当时,美国空军的最新轰炸机是康维尔公司研制的B-36(采用6台活塞式发动机的型号),喷气式战斗机也刚刚装备空军。之后,随着XB-47轰炸机于1949年2月8日完成首飞,情况开始改变。XB-47由波音公司研制,采用后掠翼,装备了6台涡喷发动机。

但是在朝鲜战争中,美国投入的轰炸机还是二战时期的波音B-29,美国空军在空战中取得第一个战果的也是活塞式战斗机——北美航空公司的F-82“双野马”创造的。直到1950年11月,双方的喷气式战斗机发生遭遇并爆发空战。由于性能的差异,活塞式战斗机推出了争夺制空权的战斗。喷气式战斗机主宰了朝鲜战场的上空,也从此改变了今后空战的格局。

1951年6月,贝尔飞机公司的X-5完成了首次飞行。作为X系列研究机的一员,X-5采用了可变后掠翼。与二战中德国梅赛德斯的P.1101不同,该机可以在飞行中改变机翼的后掠角。X-5是世界上第一架可变后掠翼飞机,也是以后通用动力公司的F-111A战斗轰炸机和格鲁门公司(后与诺斯罗普公司合并成为诺格公司)的F-14舰载战斗机等可变后掠翼飞机的先驱。

“柏林空运”期间,大规模的空中运输给公众留下了深刻印象。三年后,欧美国家的空运旅客里程第一次超过了铁路卧铺的旅客里程,并在后来一直保持着这种优势。

波音707的原型机于1954年7月15日首飞。这是波音喷气式客机系列中的第一架,也是首架在商业运营中获得成功的喷气式客机。随后,法国南方飞机公司SE210“快帆”喷气式客机于1955年5月27日进行了首次飞行。“快帆”客气采用两台安装在飞机尾部的涡噴发动机,开创了客机的尾吊式发动机布局形式。

同年10月,泛美航空公司订购了45架喷气式客机,包括25架道格拉斯公司的DC-8和20架波音公司的波音707。

1951年1月,美国开始实施“大力神”洲际弹道导弹计划。这一计划必然要占用大量航空领域的科学、工程和组织管理人才。随着军备竞争和弹道导弹技术的发展,洲际弹道导弹计划开始成为主要的发展项目。

“大力神”计划最初并不大,但随着计划的进行和后续其他弹道导弹计划的实施而变得愈加庞大了。它们支配了航空工业,控制了教育体系、管理技术、研究人员和经费,甚至连航空工业的名称都变为了航空航天工业。

还没等到这十年结束,美国的航空航天工业就遭遇了挑战。

1957年10月4日,苏联的第一颗人造卫星就进入了地球轨道,并用“哔啵哔啵”的无线电广播信号,宣布着人类的这一伟大进步。但对美国的航空航天工程师们来说,这个信号是一种嘲笑。

还不到一个月,第二次打击有来了。苏联发射了第二颗人造卫星,并携带一只名叫莱伊卡的小狗作为乘员。这两颗卫星的出现引发了美苏之间在航天领域的竞争,并一直持续到冷战结束。兰利实验室为此不得不调整研究方向,重新分配科研经费,以满足航天研究项目的需要。因为这一调整,到了下一个十年刚开始的1958年,美国国家航空咨询委员会(NACA)就变成了国家航空航天局(NASA)。

NACA兰利实验室的研究工作

从第一次突破声障到持续有效地进行超声速飞行之间有多少困难,兰利实验室对此事深有感触。

贝尔飞机公司的X-1研究机采用“硬撑”的方法实现了超声速飞行,但速度真正超过马赫数1.0的时间很短。X-1采用了推力大但燃料消耗也大的火箭发动机,为了节省起飞和爬升阶段消耗的燃料, X-1是由B-29改装的母机挂载升空,在适当的高度投放。从突破声障飞行研究的角度看,这是一架非常好的研究机,但无法改为实用的军用或民用飞机。

为了找到实用的超声速飞机设计方案,NACA针对几个突出的问题,展开了如何实现持续超声速飞行的研究。

喷气发动机技术日益成熟,其推力理论上已经可以在正常飞行高度上,让飞机达到声速而无需采用像X-1那样的极端设计。对后掠翼的研究表明,这种机翼可以有效地减小阻力,甚至能在现有的发动机推力水平下实现超声速飞行。

但超声速飞机的设计仍然存在不少困难。虽然可以得到有关部件或一般性的气动力外形的某些数据,但这些数据只能解决定性的问题,不能解决飞机细节设计中的任何问题。设计中遇到的难题包括:如何用(类似X-1的)薄翼型产生高升力,怎样设计有效地超声速进气道,飞机操纵系统是基于以前获得的亚声速飞行数据的,等等。

更进一步地,人们开始认识到,飞机不再是一个简单的线条设计,可以将分别设计好的各个部件像积木一样进行组合就能完成的。不仅是超声速飞机,任何一架成功的高速飞机都必须按照一个整体进行综合设计。整个飞机的部件相互间都有影响,任何一个部件的改动都将对整体设计产生影响,有些还是非常致命的影响。

上述这些,就是第4个十年开始时NACA兰利实验室的研究人员所面临的研究工作概况。超声速时代已经来临,此时军用飞机的设计要求就是越过跨声速区,能持续地进行超声速飞行。因此,必须很快获得相应速度范围的新数据。

幸亏在上个十年中,兰利实验室成功发展出了开缝试验段的风洞技术。有了这种开缝壁/开槽壁风洞(或称跨声速风洞),将能在之前的无法得出可靠试验结果的跨声速区域获得精确结果。

风洞设施一直是兰利实验室的重要组成部分,这一阶段首先对开缝试验段/跨声速风洞进行规划。1949年5月,美国国防部研究与发展委员会首先批准建设一座新的8英尺(2.4米)跨声速风洞。12月,兰利实验室在之前已经改装了开缝试验段的原8英尺高速风洞中,第一次吹出了持续跨声速气流。一年后,改造成开缝试验段的16英尺(4.8米)高速风洞也获得了持续跨声速流场。

这项工作使得兰利实验室的约翰·斯塔克和他的助手们在1951年获得了科利尔奖,以表彰他们在构思、发展和实际运用开缝试验段/跨声速风洞方面所做的工作。

沃洛普斯岛无人机研究部的工作与跨声速风洞里的研究工作在同时展开,目前已经开始研究火箭动力模型所能达到的超声速范围。

通过这些探索性试验和分析,研究人员逐渐了解了跨声速范围的问题。明确了基本问题后,通过对试验数据的分析可以找出飞行的关键难点。

进行超声速飞行的最大困难,是如何使飞机迅速通过跨声速范围,使其不至因马赫数1.0附近加速缓慢而消耗宝贵的燃油。因为在接近马赫数1.0的区域,阻力骤然增加,同时伴随升力减少。而升力的改变,往往会导致某些操纵问题的出现。最好的解决方案,是找出这些问题,通过分析完全了解它们并进行修正。但在当时还没有获得这些知识。

当时在集中力量解决如何减小通过跨声速范围的飞行阻力。

兰利实验室一位名叫理查德·惠特科姆的研究人员在观察风洞试验时,凭直觉认为,阻力的增加是因为机翼和机身之间的干扰引起的。通过一些试验,发现情况确实如此。

曾提出后掠翼设计概念的德国航空工程师阿道夫·布泽曼,从事高速空气动力学研究已有十多年了。1951年11月,已移居美国布泽曼提出了有关跨声速流场的“管流特性”。他指出:流体经过跨声速区域时,流管的横截面积(由气流中的一组流线所划定的不明显表面)并不改变。

惠特科姆也在考虑这个问题,根据布泽曼的见解,再加上补充进行的风洞试验,他推导出了面积律。面积律是一种基本的设计概念,兰利实验室的工程师认为,正是这个设计概念让持续超声速飞行成为了可能。

简单地说,面积律要求一架飛机的横截面积从前到后不要变化得太突然。这样可以最大程度地减少气流的扰动和跨声速阻力的增加。

比如,飞机在机翼处的横截面积比前后都有较大增加。为了消除横截面积在此处突然增加产生的影响的,就必须减小相应位置的机身横截面积。因此,机翼安装位置的机身需要收进去一块。这种蜂腰状(或称“可口可乐瓶”形)的外形,就是早期超声速飞机应用了跨声速面积律后的一个显著特征。

从1952年2月开始,部分飞机研发项目在原设计中加入了面积律概念。最先采用面积律的是两架军用飞机。美国通用动力康维尔分公司(以下简称康维尔公司)XF-102的设计速度是低超声速,但原方案似乎很难达到;格鲁门公司XF11F-1的初期设计目标也是低超声速。进行面积律修形后,两架飞机很容易就通过了跨声速区域,而且没有为此增加发动机的功率。

面积律的研究是飞机设计中的项真正的突破,因此当时在兰利实验室仍然是保密的。直到1955年,惠特科姆因发现并实验证实了面积律,从而能以同样的功率达到更高的速度和更大的航程而获得1954年度科利尔奖的时候,面积律才公之于众。

面积律的研究仍在继续进行,跨声速面积律发展到应用于速度更快的超声速飞机的设计中。因为在F-102设计中获得的经验,康维尔公司对面积律青睐有加。他们在设计B-58轰炸机时,将面积律应用于超声速,使得该机成为第一种按超声速面积律概念设计的飞机。B-58轰炸机于1956年11月11日进行了首飞。

B-58能够成功首飞,与康维尔公司之前另一架编号为XF-92A的小型三角翼飞机有着密切联系。XF-92A战斗机主要设计目标是执行防空截击任务,后来也用于一项研究计划,以判断三角翼是否为实现高速飞行的正确机翼平面形状。

一名参加过XF-92A飞行试验的美国空军飞行员表示,该机只是在垂直俯冲时才刚刚达到超声速。但俯冲试验也表明,较薄的三角翼的XF-92A,比较厚后掠翼的F-86和平直翼的F-94,更易于从跨声速区域过渡到低超声速。F-86和F-94都能在俯沖时通过跨声速区域。

后来,XF-92A成为了NACA的研究机,参与了大量的飞行试验,一直到退役。

在上一个十年里,NACA兰利实验室和军方以及航空界开发出来的研究机,为飞机设计提供了大量的资料积累,其中最有价值的是那些以前从未获得的数据。

在这个十年中,研究机的飞行试验仍然是取得相关数据的重要手段之一。

这类研究机的开山鼻祖——贝尔飞机公司的X-1,在1947年飞过了跨声速范围,让人类第一次完成了超声速飞行。第二架研究机是道格拉斯飞机公司的D-558-1“天空闪光”,采用平直翼,动力装置为一台艾利逊J35-A-11涡喷发动机。该机属于NACA与美国海军的联合研究项目,于1947年4月开始试飞,当年8月创造了650.8英里/时(1048千米/时)的飞行速度世界纪录。

D-558-1的改进型是道格拉斯飞机公司为美国海军研制的D-558-2“天空火箭”研究机。与D-558-1不同,D-558-2采用了后掠翼,动力装置为火箭/涡喷发动机混合动力。该机共制造了3架,其中一架将涡喷发动机换为LR-8火箭发动机,由一架改装的P2B(B-29轰炸机的海军型)携带至空中投放,由此成为了第一架飞行速度超过马赫数2.0的飞机。

贝尔飞机公司的X-2研究机向前迈进了一大步。该项研究项目的目标是尝试将升限突破10万英尺(30480米)高度、飞行速度达到马赫数3.0。X-2为后掠翼,采用一台寇蒂斯-怀特XLR25火箭发动机,机体材料为耐腐蚀的莫涅尔合金和不锈钢,希望以此来解决高速飞行时的气动加热问题。X-2项目开展的时间并不长,在其短暂的光辉岁月里曾达到12.6万英尺(38400米)的飞行高度和马赫数3.2的飞行速度。当制造出的仅有两架X-2相继坠毁、两名飞行员不幸丧生之后,该项目就结束了。

但是,从事研究机飞行试验的工程师们考虑的不光是速度和高度这两项性能。

美国空军用诺斯罗普飞机公司制造的X-4开展了一项研究计划。X-4是一架双发喷气式无尾飞机,这种设计方案是基于“去掉水平尾翼可以减少在跨声速区由机翼-尾翼组合带来的问题”的理论。X-4后来成为一架可靠的研究机,尽管其飞行速度仅为高亚声速。

另一架有名的研究机是道格拉斯飞机公司的X-3,最初的研究目的是探索持续超声速飞行问题。该机有着细长的尖锐机头,一对很薄的小展弦比梯形平直翼位于机身中部。飞行试验表明X-3的动力不足,翼载荷很大。尽管如此,在1952-1956年的四年多时间里,经验丰富的试飞员们成功地获得了有关极薄机翼在跨声速区气动特性的许多有价值的数据。

X-3的惯性特性几乎与之前的机型都不相同,在试飞中发现了高速飞行的惯性交感问题。大致上,该机在飞行中会因快速横滚或急剧盘旋等机动动作诱发滚动不稳定,从而造成飞机失速或结构破坏等重大危险。由于X-3采用了小展弦比薄机翼,其质量绝大部分集中在机身,沿翼展方向几乎没有,这两个方向惯性力矩的差很大。当飞行员猛压坡度进入转弯或盘旋时,惯性矩差会同时造成偏航运动。北美航空公司F-100超声速战斗机的第一种改型就是因为这种无法控制的偏航运动而在空中解体的。

对于惯性交感的问题,之前兰利实验室也曾偶然地从理论上进行过研究,并在1948年提交了相关的研究报告。但报告归档后就被人们遗忘了,直到该问题再次出现并影响到了高速飞行的安全。此时,人们才发现,为解决惯性交感问题而紧急开展的飞行试验和风洞试验计划中,该报告成为了关键。

X系列研究机中的第五种是另一种类型的飞机。X-5采用了可变后掠翼的概念,而且是在飞行中改变后掠角。有人认为,这种先进的可变后掠翼概念是在兰利实验室中诞生的;也有人不认可这种说法。

早在1948年7月,贝尔飞机公司向美国军方提交了一项建议,研制可在飞行中改变后掠角的研究机。美国空军为此找到NACA,将可变后掠翼飞机作为双方联合研究计划的一部分。NACA同意了这项联合研究计划。于是,X-5研究机开始成形。

可变后掠翼的设想,可能来自研究后掠翼飞机优势和劣势问题的部分研究人员。他们在当时的研究中认为:在高速飞行时后掠翼具有很大优势,但在低速飞行时升力特性不如平直翼;如果有可能使得机翼在低速飞行时为平直翼,高速飞行时变为与速度相适应的不同后掠角的后掠翼,将使后掠翼能很好地兼顾低速与高速性能。

1945年,兰利实验室就曾在自由飞风洞中研究倾斜翼飞机。该机的机翼垂直中心线上有一个转轴,当机翼绕其转动时,一侧机翼向前,另一侧机翼向后。风洞试验表明,这种构型奇特的飞机在“大约40度的斜角内表现出了非常好的飞行特性”。试验结果发表在1208号技术报告上。

两年后,贝尔飞机公司将一个X-1的模型进行了修改,用于在兰利实验室7英尺×10英尺(2.1米×3.0米)风洞中进行可变后掠翼试验。试验结果表明,可变后掠翼的设想是可行的。试验还表明,为了把稳定性保持在要求的范围内,或许只能让机翼沿纵轴前后移动。

贝尔飞机公司提出的X-5研究机项目,将它在研究机设计方面的经验和兰利实验室1945-1947年间在风洞中所做的研究工作结合在了一起。

X-5在1951年6月20日进行了首次飞行,之后逐渐成为了一项广泛的飞行试验计划中的一部分。该计划是研究机翼后掠角的改变对性能和飞行品质的影响。

试验中X-5的后掠角在飞行中改变了多次,都没有发生问题。这证明了兰利实验室之前的研究工作是正确的。因为设计师在X-5上成功地设计了一个机构,在机翼后掠的同時让整个机翼向前移动,以使飞机保持原有的稳定性和操纵性。

另外,这项飞行试验计划还有一个不为人所知的收获,就是得到了大后掠角飞机在低空高速飞行时对阵风的反应的相关知识。

试验中,X-5曾以59度最大后掠角在接近地面的高度飞行。由此得到的数据成为了后来设计执行战术任务的可变后掠翼多用途战斗机的重要依据。

在X-5的飞行试验计划进行的同时,兰利实验室的风洞和其他设施也在开展各种模型的低速和高速吹风试验研究。在风洞中使用的是跨声速拱形板技术,在半翼展模型的飞行试验中采用的仍是翼流法。

同一时期,美国海军和格鲁门飞机公司正在研制一型可变后掠翼战斗机XF10F-1。该机于1952年5月进行了首飞。兰利实验室在跨声速风洞中对XF10F-1的各种模型进行了风洞试验,还在沃洛普斯岛的无人驾驶飞机研究部以火箭推进技术对上述模型进行了飞行试验。

XF10F-1项目最终失败了,但不是因为采用了可变后掠翼技术。飞行试验中,可变后掠翼部分未发生任何严重的机械问题。但是由于飞行和飞机其他方面的不足和限制,几乎未获得可变后掠翼在军用飞机上应用的有用数据。

由于种种原因,兰利实验室仅仅是临时地进行可变后掠翼的研究工作。

首先,20世纪50年代初期,军方并未提出持续进行超声速飞行的要求。当时理想的作战模式,是以亚声速巡航进入目标区然后进行短时的超声速俯冲攻击。

其次,当时并未要求采用低空突防以躲避雷达的探测。军方尚未考虑到将X-5研究机在飞行试验中展示的大后掠角飞机低空高速飞行能力应用到军事领域。

但是,在美国空军之后提出的一系列以“武器系统”(Weapon System)编号的军机项目中,WS-110项目即要求设计一种具备超声速巡航能力的战略轰炸机。其他一些军机项目也开始包括低空高速突防能力,甚至还有短跑道起降能力和更远的转场航程。

超声速巡航、低空高速突防、较短的起降距离、更远的转场航程等性能要求,使得后来进行方案设计时,就将兰利实验室可变后掠翼研究中的某些概念整合了进去。但是,在这个十年的其余时间里,研究工作还只是维持在一个较为初级的阶段。

不过,WS-110项目带来了一场飞机设计的革命。

1954年底,美国空军提出了对B-52战略轰炸机后续机型的需求,要求新机型能从现有跑道上起飞并能使用现有的维护设备。这种飞机的不加油航程最少应为6000英里(9660千米),速度尽可能快。由于要求进行远距离超声速飞行(即超声速巡航能力)并采用当时常规的机体-发动机匹配方式,参与投标的都是机体庞大、设计非常复杂的方案。为此,空军一方面要求各方重新开始方案设计,另一方面也开始重新审视WS-110项目的要求是否可行。

北美航空公司提出的XB-70计划方案最终赢得了WS-110项目。经过许多周折,该方案发展成为了后来有着许多政治和技术问题的XB-70计划。该计划因为美国后来提出的“导弹+飞机”的混合力量方案而下马,最后洲际弹道导弹又替代了“导弹+飞机”的混合力量方案。

兰利实验室的研究人员否认他们在XB-70计划中起了主要作用。兰利实验室为配合XB-70而开展的研究使他们注意到了持续超声速飞行的问题。因为对这些问题的重视,兰利实验室此后也一直关注着超声速巡航飞机的研制情况。

在兰利实验室的这个丰收的十年里,诞生了NACA前50年里最重要也最有意义的飞机之一:X-15高超声速研究机。该机的起源可以追溯到贝尔飞机公司1952年1月8日的一份文献。当时该公司已经成功研制出了X-1、X-2和X-5研究机。

贝尔飞机公司在这份文献中提出,研制一型有人驾驶高超声速研究机,用来支持一个即将成立的NACA小组。这个小组主要从事评估和分析高超声速飞行和空间飞行中的一些基本问题。

1952年6月,NACA的气动力委员会通过一项决议,建议NACA扩大其在马赫数4~10速度范围内的研究计划,并着眼于更高的速度范围的研究。

兰利实验室成立了一个委员会来评估贝尔飞机公司的上述建议及其采用火箭发动机的可变后掠翼有人驾驶研究机的设计方案。此外,通过NACA的渠道还特意提出了两个性能类似的研究机设计方案。其中一个是两级火箭推进飞行器方案,另一个是在现有的X-2研究机基础上进行改进设计的方案。

1954年3月,由NACA各实验室联合成立的“研究机委员会”得出结论,制造全新的研究飞行器是一条更好的途径。为此,要求NACA的4个实验室具体研究详细的设计指标和要求。

当年7月,研究工作做了更具體的布置,并很快有了初步结果。兰利实验室和NACA爱德华兹空军基地高速飞行站(即之前的穆罗克飞行试验队和后来的德莱顿飞行研究中心)的研究工作得到了以下结论:能够而且也需要研制出飞行速度达到马赫数7的研究机。

还是在7月,美国空军和海军的代表与NACA的相关人员会面,听取了研制研究机的计划介绍。之后,航空工业界的几个小组参观了兰利实验室,和实验室的研究人员详细讨论了有关研究机的研制计划。

1954年10月,NACA气动力委员会举行了一次会议,会议批准了研究机研制的计划。美国空军、海军和NACA一起联合规定了技术要求。他们提出的技术要求与兰利实验室的研究结果大致是相符的。

1954年12月,NACA向美国国防部“航空技术顾问组”提交了该计划的正式报告。顾问组批准了这一计划,并指定NACA为这项计划的技术管理人。顾问组还希望在航空工业界提出设计方案时能进行审核。

之后,美国空军、海军和NACA之间达成了一项协议,确定成立研究机委员会,从技术上指导这项计划的实施。12月30日该计划准备开始方案竞标,委员会向航空工业界发出了标书。

1955年夏天,航空工业界提交了参与竞标的设计方案,当年秋季就完成了方案评审。1956年6月,北美航空公司获得了制造3架X-15研究机的合同,希奥科尔化学公司反应发动机分公司得到了发动机的研制和生产合同。

风洞试验和结构部件的研发工作与1956年开始,以便获得足够的有用数据,保证X-15可以在1957年9月开始制造。

第一架X-15在1959年6月进行了首次无动力滑翔飞行。此时,NACA已于1958年改为了美国国家航空航天局(NASA)。到1960年3月正式交付后,X-15才开始由NASA进行试飞。

像X-15和XB-70这样的项目,以及发展出面积律、可变后掠翼这类概念,是NACA各研究实验室所做工作的杰出代表。而这些耀眼的成就背后,有着许多研究人员长年累月地为航空和飞行器系统付出了辛勤的劳动。

就在发展这些飞机的同时,NACA也在为必将到来的军民用飞行器的超声速飞行时代奠定着基础。

兰利实验室开展的基础研究工作和成果包括:常规和非常规气动构型研究的风洞试验;对这些气动构型的理论分析和利用火箭动力模型进行的飞行试验评估;开发出了适用于高速飞行的一系列机翼平面形状和薄后掠翼操纵系统与增升装置。

兰利实验室的研究计划中还产生了不少推动高速飞行发展的科研成果,比如可避免上仰问题的低置水平尾翼、比常规的外侧副翼更高效且受力更小的内侧副翼等。这些新技术应用在了包括“百字头”战斗机在内的许多机型上。

兰利实验室在结构方面开展的研究工作,让从事颤振和振动问题的研究人员获益匪浅。1955年初,一座19英尺(5.8米)风洞经过改进后开始进行动力颤振模型的试验,表明兰利实验室的工作开始加速进行了。当时,该风洞能在相当于海平面到95000英尺(29000米)高度的范围内获得变化幅度很广的马赫数和雷诺数。

通过在改进后的风洞中进行的试验,结合理论分析,兰利实验室的技术人员对发展跨声速和超声速颤振的估算方法做出了重大贡献。

在疲劳规范和空中/地面结构载荷预估方面,兰利实验室也做出了贡献。

对直升机的研究,始于兰利实验室在第2个十年中进行的开创性工作。随着旋翼试验塔在第3个十年中投入使用,这项研究开始扩大。在第4个十年中,直升机研究工作得到进一步发展。兰利实验室开始对新研制的直升机进行飞行试验,以便正确评价其操纵品质,并为以后的直升机设计制定操纵品质标准。发展了直升机(旋翼)专用翼型,扩大了兰利实验室早期翼型风洞试验所做的基础工作。

兰利实验室分析了直升机稳定性这个长期的难题,开发出了预测稳定性的方法,并通过旋翼模型和全尺寸旋翼进行飞行试验和地面风洞试验,以研究阵风和机动飞行对旋翼产生的载荷。

兰利实验室在高超声速空气动力学方面的基础研究工作,带动了X-15研究机计划的出现。这些研究也为之后载人空间飞行计划和高超声速技术在商业运输方面的应用打下了坚实的基础。

在这个十年中,一条着陆载荷滑轨在兰利实验室投入使用。该装置的主体是一辆可以用多种方式驱动的滑车。车上能够安装典型的飞机起落架,并可以模拟飞机滑跑着陆和利用尾钩拦阻着陆时所受到的动载荷状态。

当时,许多飞机上都安装了记录速度、重力、高度等数据的记录仪。1950年,兰利实验室利用这些数据对世界上许多地区的大气湍流和阵风进行了分析,以此指导飞机设计师参照扰动状态而不是稳定飞行状态进行设计。

挠性机翼这种全新增的升结构,是兰利实验室在二战刚结束时提出的,1948年以一种轻型飞机机翼进行了专利登记。现在,升阻比小于3.0的许多机型都采用了挠性机翼。

飞行研究工作中最有效的手段之一——“模型试飞技术”,在第4个十年里也得到了很大的发展。

模型试飞技术是从兰利实验室在自由尾旋风洞中进行的早期研究工作中发展起来的。这些试验是在风洞的垂直试验段中让缩尺模型进入尾旋,以便拍摄和观察其运动状况。

自由尾旋风洞的设想在20世纪30年代被推广到了自由飞风洞上。通过这种技术可以获得小尺寸遥控模型的飞行稳定性和操纵特性。1937年,兰利实验室建成了一座小型自由飞风洞。这是兰利实验室以后多座自由飛风洞的一个试验型。

在这座试验型风洞中进行的模型研究工作取得了不错的成果,让兰利实验室决定新建一座12英尺(3.6米)自由飞风洞。该风洞于1939年开始运行,一直使用到20世纪50年代初期,直到兰利实验室开发出了一项新技术并将其运用到全尺寸风洞中。

这项遥控试飞有动力模型的新技术,用于测试飞行稳定性和操纵特性。这种技术是定性的研究方法,是从模型操纵员和记录模型飞行表现的影片中得出所需的结果。

在这段时间里,兰利实验室还采用了另外几种模型试飞技术,除了自由飞,还包括航模爱好者喜爱的线操纵模型飞行。兰利实验室的线操纵设备于1955年开始使用,以提高垂直起降飞机过渡飞行的研究能力。采用线操纵技术可以完成从垂直到水平飞行和从水平飞行到垂直飞行的迅速过渡。由于改变风洞气流速度需要很长时间,在全尺寸风洞中进行过渡飞行试验受到限制,只能以很慢的速度完成过渡飞行。

在这个十年的末期,兰利实验室开始真正投入大量的精力进行高超声速飞行的研究工作。

实施X-15计划的目的,就是加紧进行对超声速飞行范围的高速区直到高超声速区的研究工作。

1955年,兰利实验室和艾姆斯航空实验室共同开发出一套用于研究材料和结构的高温装置。因气动加热产生的高温问题,被作为阻碍高超声速飞行的关键难题单独提出来。NACA计划突破这个障碍,以成功实现高超声速飞行。

在沃洛普斯站,兰利实验室正在开发多级火箭飞行器,以使试验模型达到更快的速度和更高的高度。1956年8月21日,沃洛普斯岛的无人驾驶飞机研究部成功发射了一个5级固体火箭飞行器,飞行速度达到了马赫数15。这个速度不仅深入了高超声速领域,而且达到了弹道导弹弹头和航天器返回舱的速度范围。

1956年,兰利实验室结构研究部开始研究电弧喷射装置。这种装置产生的高温可用来模拟弹头和返回舱再入飞行段的环境。之后,兰利实验室开发了24个这类装置,用于再入体的材料和结构问题研究。

1957年7月,兰利实验室的技术人员开始研究采用固体运载火箭发射小的有效载荷进入地球轨道,目的是开发出一种低成本的发射技术用于科研卫星的发射。

这项研究的最终成果,是设计并开发出了一种名为“侦察兵”的固体推进剂运载火箭。这种运载火箭为美国政府、工业界和外国政府的航天机构发射了很多航天科研仪器。

1957年底,兰利实验室提出了从空间轨道再入大气层的飞行器基本构型,后来成为了“水星”计划中返回舱的特有外形。此外,还提出了载入航天器的有翼和无翼滑翔器外形,后来也被应用在了戴纳-索尔和阿波罗计划中。

在这个十年的开始,由试飞员驾驶的研究机首次探索了超声速领域的飞行。之后,超声速作战飞机和超声速飞行在军事领域得到了迅速的发展。

在这个十年即将结束的时候,人们突然认识到航天飞行的重要性,以及空间轨道对于科学研究和国防战略的重要价值。在苏联的人造卫星刺激下,美国开始设计各种载人航天器,研究如何把航天员送入太空并穿过再入时灼热的大气层安全返回地面。

经过多年发展起来的航空科技很快进入了另一个全新的技术领域。这个新的技术领域所面临的环境是没有空气的,在其中飞行无法依靠机翼产生升力,气动力控制技术也不起作用,涡喷发动机更是无法燃烧。

但是,在航空领域的研究成果,却成为了载入航天飞行获得成功的最重要因素之一。因为,进入太空的航天器首先要从地面起飞并经过大气层内的飞行;从太空中返回的航天器也必须经过大气层内的再入段飞行。

兰利实验室下一个十年的研究工作已经有了明确的新目标了。