美国NASA兰利研究中心的前50年(4)

2017-03-06 19:47:21 航空世界 2016年11期

蒿旭

1938年到1947年这十年,是受第二次世界大战影响的十年。由于战争的推动,作战飞机的飞行速度等性能不断提高,新的作战装备也陆续出现。巡航导弹、弹道导弹、喷气式飞机都投入到了战场,直到原子弹爆炸的蘑菇云结束了二战,页也改变了今后的战争模式。

NACA兰利实验室也不可避免地受到了战争的影响。美国军方需要兰利实验室的为其解决军用飞机遇到的各种故障和问题。但是,这些繁杂的战时紧急任务并为阻止兰利实验室在航空领域的探索研究。从二战初期开始,兰利实验室对高速飞行的相关问题展开了长期的实验研究。凭借其在风洞试验、飞行试验等方面积累的丰富经验,在美国军方、航空界、NACA和其他研究机构的支持和帮助下,通过兰利实验室在高速飞行、特别是跨声速飞行的研究成果,贝尔飞机公司的X-1终于突破了声障。

人类也进入了一个新的时代——超声速飞行时代。

第三个十年——1938年—1947年

10年概述

1939年9月爆发的第二次世界大战,对NACA兰利实验室第三个十年的工作产生了很大的影响。到了1945年9月二战正式结束的时候,飞机的外形又一次发生了变化。

航空技术领域的几项研究成果,導致了飞机设计的第二次革命。由分属不同国家/研究机构的几位研究人员不约而同发现的后掠翼,是飞机气动构型方面的一项重大革新。纳粹德国的设计师最先将其应用到先进的战斗机和轰炸机的设计项目中。

同时期的另一项重大发明(或称为发展),是喷气推进技术,它在二战期间有了很大的进展。1939年8月27日,德国亨克尔公司的He 178进行了首飞。该机是世界上第一架喷气式飞机,配备了一台由汉斯·冯·奥海因设计的HeS 3离心式涡轮喷气发动机。到了二战末期,德国和英国都装备了喷气式战斗机并投入了实战。但是直到战争结束,双方也未在空中相遇过,世界上第一次喷气式战斗机之间空战的悬念被留到了以后。

战争的需求也促进了火箭的发展和导弹的诞生。

世界上第一种弹道导弹,德国的V-2(A-4)导弹于1942年开始试射。经历了两次发射失败后,于当年10月试射成功。1944年,德国的V-1飞航式导弹(当时称为飞弹,现称为巡航导弹)开始轰炸英国伦敦。采用脉冲式喷气发动机的V-1是世界上第一种巡航导弹。仅仅几个月后,急于挽回败局的德国将V-2导弹也投入了战场,作为战术武器使用。

另一种导弹也出现在德国。1943年8月,德国空军使用一种新型武器,连续击沉击伤多艘英国的护航驱逐舰(现称为护卫舰),使得英国皇家海军不得不暂停了反潜行动。这就是当时被称为“空中鱼雷”的亨舍尔Hs 293,世界上第一种投入实战的空舰导弹。Hs 293空舰导弹采用无线电遥控制导、火箭动力。由于火箭发动机工作时间极短,该导弹实质上是普通航弹加装了弹翼和遥控装置的遥控滑翔炸弹。但是它的出现,彻底改变了海战的模式和舰艇防空装备。

人类制造的终极武器——核武器,在二战期间历经设想、发展、研制、试验和实战应用等几个阶段。最终,投在日本广岛和长崎的两枚原子弹结束了二战。

1945年2月,为应对高空高速轰炸机的威胁,贝尔实验室提出了“奈基计划”,目的在于为美国陆军研制一系列防空导弹。这就是后来的奈基(又译“胜利女神”)系列地空导弹。

二战结束以后,航空似乎从战争中的破坏者转变成了为和平目的服务的工具。

英国将皇家空军装备的格罗斯特“流星”式战斗机(二战末期投入使用)稍加改进,就以600英里/时(960千米/时)轻易地打破了陆上飞机的飞行速度纪录。

航空航天技术在民用领域也取得了突破。

1939年,美国泛美航空公司首先开始经营飞越大西洋的客运航线。1946年,英国德·哈维兰飞机公司获得了一项合同:制造两架装4台喷气发动机的客机原型机。该客机定型后被命名为“彗星”,这是世界上投入定期航线的第一种喷气式运输机。

还在大战期间,美国贝尔飞机公司就开始构思、设计其第一架研究机。1946年12月,这架名为X-1的火箭动力研究机进行了首次动力飞行。1947年10月,空军上尉查尔斯·耶格尔驾驶X-1达到了马赫数1.06的飞行速度。这是人类第一次突破了声障,从此飞行进入了超声速时代。

这里有个小花絮。严格来讲,耶格尔在完成第一次超声速飞行时,还应算陆军航空队上尉(美国陆军航空兵团于1941年6月改名为美国陆军航空队)。虽然杜鲁门总统在1947年7月26日签署成立了空军部,但要到当年12月18日首任空军部长斯图尔特·赛明顿宣誓就任,美国空军才算正式成立。

1947年9月,美国兰德公司(Rand Corporation,1946年成立的一家非营利机构,1948年经改组后正式称为兰德公司)发表了一份正式的研究报告,表示人造地球卫星是完全可以实现的。以前,也有人提出过相同或相似的观点,但被人们认为是无根据的科学幻想,甚至是疯子的妄想。兰德公司是用美国政府的拨款,为新成立的美国国防部进行的该项研究。这让其报告中的观点更为可信。

人造卫星可以实现的观点应该受到重视,但实际上只在一小部分人中受到了重视。由于兰德公司的报告仅仅叙述了这项技术可以成功,这些关注的人们做了大胆的推测:未来人造卫星可能发展成空间站,也可能成为装备巨大透镜去烧毁敌方目标或携带原子弹进行轰炸的可怕武器。

不管当时的人们怎么去想象,人造卫星在这个十年里还不能实现。尽管如此,兰德公司的报告还是为未来载人航天、登月等空间探索奠定了一个起点。人们希望把液体火箭发动机等战争技术转用于和平开发空间,可惜随着空间技术的发展,弹道导弹、军用卫星等也在发展。

NACA兰利实验室的研究工作

1938年4月,美国海军将一架布鲁斯特公司的XF2A-1试验型战斗机交给国家航空谘询委员会(NACA)兰利实验室进行全尺寸风洞试验。兰利实验室的工程师系统地测量了整机,以及机炮和外置瞄准具、排气管、起落架等部分的阻力。根据实验结果,他们得出如下结论:该机(经过气动修型后)的最大飞行速度可以提供31英里/时(50千米/时),相当于性能提供10%以上。

这次历史性的试验,是为美国陆军航空兵团和海军航空局进行的系列研究计划的第一项。这个名为“阻力清除”的研究计划,成功确立了一套陆军和海军航空兵力共用的标准设计方法,并生成了可用于以后飞机设计项目的实用设计数据。

到1940年10月,根据“阻力清除”研究计划,NACA兰利实验室在全尺寸风洞中对11种飞机进行了试验研究。当月,研究结果以NACA秘密报告的形式提交给了航空界和军事部门。该报告总结道:“因为去除或修整了原设计中不平滑的部分,许多飞机的阻力降低了30%~40%,其中一架甚至降低了50%。从试验结果分析,在最初的設计阶段就强调降低零部件的阻力,要比设计完成后再进行减阻修整,更能提高飞行速度。”

从这份报告中可以看出,设计阶段对零部件的阻力不够重视,是造成性能损失的主要原因。比如,机翼设计时采用了光滑的外形,但安装机炮后因连接部位的凸起破坏了机翼的整体外形,则原有的良好低阻特性也将受到损失。安装机炮是作战任务的需求,但也应考虑飞机的飞行性能要求。自此,飞机设计师们开始认识到,飞机设计实际是在空气动力学的最佳飞行性能和作战使用需求之间进行折中。这也是“阻力清除”研究计划的另一项成果。

在开展“阻力清除”研究计划的同时,兰利实验室也在进行着其他研究计划。这就导致兰利实验室的工作量激增,工作压力也比过去大很多。NACA在1938年年度报告中再一次提出需要增加试验设施。NACA在给美国国会的一封信中也明确表示,由于飞机尺寸加大、速度提高,结构研究专业迫切需要增加新的设备。此外,NACA还提出,国家安全和航空事业的发展,也需要尽快增加结构试验设施。

1938年10月,NACA成立了一个委员会,专门研究所需试验设施的情况并给出具体建议。该委员会在当年12月份的报告中提出:要尽快在加利福尼亚州森尼维尔再成立一个研究实验室;兰利实验室的研究设施也要加强,需新建一个结构研究实验室和一座测定稳定性导数的稳定性风洞。

就在第二次世界大战爆发之前的1939年8月,美国国会批准了在森尼维尔建立新的实验研究机构。当战火在欧洲开始蔓延的时候,NACA的新实验室也在森尼维尔墨菲特机场破土动工了。

二战爆发后,NACA成立了以查尔斯·林德伯格为首的第二个委员会。成立仅仅几个星期,该委员会就提交了一份报告,坚决建议成立第二个发动机研究中心,并指出美国缺乏发动机研究设施:“当前,美国用于航空动力装置的研究设施严重不足,无法与其他航空领域的研究机构相提并论。”

1940年年中,美国国会通过了组建新的发动机研究机构的提案。

早在1939年,国会已经批准为兰利实验室增加研究设施的请求拨款,作为追加预算申请的一部分包括在了森尼维尔实验室的建设费用里。11月,又在兰利机场划拨了一块地皮,给兰利实验室建设一座新的16英尺(4.8米)高速风洞、一座稳定性风洞,以及结构实验室及其辅助设施。

结构实验室于1940年10月竣工,稳定性风洞于1942年1月建成。同一时期建成的还有用于水上飞机研究的第二座拖曳水池和一座冲击水池。冲击水池可以测量飞船式水上飞机模拟水上降落时船身结构的冲击载荷。

1941年,低湍流度高压风洞和16英尺高速风洞在兰利实验室战时扩建过程汇总投入使用。

为帮助组建和管理森尼维尔的新实验室,兰利实验室派出了不少人员,与此同时还必须提高自身的科研能力。森尼维尔的实验室就是现在的艾姆斯研究中心,是以担任NACA主席达20年之久的约瑟夫·艾姆斯博士的名字命名的。

从兰利实验室抽调人员支援森尼维尔实验室的工作还没结束,第二次人员抽调又开始了。1940年年中,根据林德伯格委员会的报告,国会批准在克利夫兰市属机场附近建设第二座发动机研究实验室。这座新的实验室专门研究动力产生和推力的问题,即从燃烧的基本物理过程到用装有测试仪器的飞机进行整台发动机飞行试验的问题。

克利夫兰新实验室的人员,也是从兰利实验室抽调的。从战前和战后兰利实验室工作人员人数对比,就可以看出兰利实验室在人员培养方面的巨大潜能。在二战爆发前的1939年,兰利实验室在编人员为524人,包括204名专业人员。二战结束时,兰利实验室的人员超过了3200人。

在第三个十年中,兰利实验室的主要工作,是在过去完成的各项研究的基础上改进基本型飞机。当时采用的带整流罩发动机、可收放起落架、带襟翼的全金属下单翼飞机虽然性能比以前有了很大提高,但仍需要改进。发动机功率的提高,也推动了飞机性能的进步。但要获得最好的效果,则必须在飞机设计阶段付出努力,尤其是零部件的设计。

在XF2A-1型战斗机上进行阻力试验,给出了解决问题的方法。最开始只是根据研究需要按部就班地进行风洞试验,但很快在战时军事需求的压力下,一架又一架飞机进入兰利实验室,依次进行全尺寸风洞试验、飞行研究部的飞行测试、尾旋风洞试验,直到对飞机上所有零部件都进行过测量并做出报告。

1944年7月,共有78种不同的飞机模型在NACA进行研究,其中大部分是在兰利实验室完成的。兰利实验室的自由尾旋风洞更是对120种不同的飞机模型进行了尾旋试验。被戏称为“大气风洞工作人员”的试飞员们,也详细测试并研究了36种陆军和海军飞机的稳定性、操纵性和其他性能。

从这些试验中得到的大量数据,首先用来改善现有机型存在的问题,之后又用于编写飞机设计师手册。这些试验之所以能够顺利进行,是以开发出了当时最高水平飞机部件的理论研究和试验计划为基础的。

比如,1938年6月,兰利实验室的工程师开始在低湍流度风洞中试验一种外形迥异于之前设计的翼型。该翼型的最大厚度在机翼弦长更靠后的位置,翼型的后缘部分呈现一种奇特的反弯形状。其阻力测量值仅为测试过的所有同样相对厚度翼型中最低阻力值的一半。在这项研究的基础上,兰利实验室后来发展出了一系列的低阻翼型。

1940年,英国希望北美航空公司在120天内完成一架符合其要求的战斗机原型机。北美航空公司在研制中采用了一种NACA低阻翼型,该翼型正是来自兰利实验室发展出来的一系列层流翼型。这种最早采用NACA低阻翼型的战斗机经过大量的改进工作后,发展成为一种性能优异的战斗机——P-51“野马”战斗机。

通过对多种型号飞机的飞行研究工作,NACA兰利实验室获得了大量有关飞行与操纵品质的经验和数据。兰利实验室的早期探索研究让飞行员对飞行品质有了较多的认识,战时的试验更加强了这种认识。

随着飞机性能的提高,一些飞行问题也变得突出了。对此,兰利实验室的飞行员和工程师仍然采用系统试验的方法,根据风洞试验的结果,得到了可以测量的飞机飞行与操纵品质,并给出了定义。

在对19种机型进行了系统的飞行试验后,兰利实验室的工程师根据这组试验结果完成了一份总结报告。报告给出了一种根据飞机操纵特性来评定飞机性能的最低衡量标准。这份报告成为了NACA、美国军方和航空界后来广泛开展这项工作的基础,还促进了美国第一份军用标准——有关飞机操纵品质的军用标准的编写工作。

二战期间,兰利实验室广泛开展了“机翼平面形状及其对飞机失速特性的影响”的研究工作。通过风洞试验,工程师们研究了多组具有不同根梢比、相对厚度、后掠角和弯扭度的机翼。

兰利的技术人员通过飞行试验、风洞试验,结合空气动力学理论,研究了当时人们还不太了解的飞机机动飞行时的气动载荷问题。

另一不被人们理解的现象,是发动机功率对飞行稳定性和操纵性的影响。借助飞行试验和风洞试验研究,兰利实验室大致搞清楚了这种飞行现象。

在飞机气动修型方面,兰利实验室也取得了不少进展:NACA整流罩经过进一步改进,扩大了速度适用范围;研究出来一种特殊的平铆技术,可以降低飞机的阻力。

兰利实验室还帮助美国军方解决了一些实际问题。

有一种战斗机(当时称驱逐机)在飞行中经常出现尾翼损坏,兰利实验室的工程师们发现并协助解决了这一问题,让该机能继续服役并成为二战中受欢迎的战斗机之一。

美国陆军的某型戰斗机在飞行中出现了“前栽”现象——在俯冲中角度会越来越陡,甚至前翻到超过垂直角接近倒飞的状态,由此产生很大的事故隐患。兰利实验室在8英尺(2.4米)高速风洞进行了试验,并结合制造商的风洞试验结果发现了问题原因。根据之前进行的飞机减速板研制工作的试验数据、结论,以及本次风洞试验的具体情况,兰利实验室建议采用改出俯冲襟翼来解决这一问题。

陆军还有一种实验型战斗机,由于设计问题导致副翼的操纵响应迟缓,这种机动飞行的缺陷在空战中是致命的。兰利实验室的试飞员测试并评估了该机的飞行性能,工程师们据此进行了详细的分析研究,提出了相应的解决方案。首先将副翼的偏转角加大一倍,提高副翼的效率;其次,采用气动补偿的方法,使副翼的操纵响应既轻快又灵活。

改进措施使得该机的横滚速度增加了一倍,机动性有了很大的提高。此后,横滚特性也成为了评价战斗机飞行性能的又一项指标。

在海上/水上的作战飞行和水面迫降导致了许多空勤人员丧生,促使人们要尽快找到能让飞机在水面安全迫降的方法。兰利实验室所有的流体动力学试验设施都投入了这项紧迫的试验研究工作。

通过用缩尺模型进行的飞机水面迫降试验和分析摄影机记录的试验过程,人们发现,飞机的某些设计极其不利于水面迫降的安全。位于机腹的进气口、弹舱和起落架舱在迫降时会因兜水产生很大阻力,导致飞机在水面翻转,使得机腹朝天,座舱/机舱沉入水中造成人员伤亡。

解决的方法是研发能消除机腹进气口、弹舱、起落架舱不利影响的水上迫降襟翼。兰利实验室通过试验研究设计出了这样的襟翼,但因为改动太大不利于生产,该襟翼未在批量生产的机型中使用。

上述这些事例就是兰利实验室在战争年代所面临的典型问题。正是战时的紧急需求决定了NACA研究项目的方向。这些项目要求尽快解决作战装备出现的各种故障和问题。

二战中,美军参战的飞机大部分都是战前或战争初期设计的,其中很多机型的设计都采用了NACA的基本设计数据。当时的海军部长弗兰克·诺克斯曾在1943说道:“完全是由于NACA的研究成果所奠定的基础,美国海军才能装备‘海盗‘野猫‘地狱猫这些著名的战斗机。这些战机都采用了NACA翼型、NACA的发动机冷却方式和NACA的增升装置。如果没有NACA在航空领域的贡献,我们无法取得那些阻止了日本太平洋攻势的决定性海战的胜利。”

随着战争的发展,飞机的飞行速度也越来越快。战斗机在俯冲时已经开始出现空气压缩性的难题,如何解决高速飞行中出现的这个新特性就比较突出了。

依靠经验、通过兰利实验室的风洞试验和飞行试验,或许可以暂时解决高速飞行中的某一个问题。但要从设计时从根本上消除空气压缩效应对高速飞行的影响,则飞机设计师需要NACA和航空界开展全面试验研究所获得的数据和理论的支持。

尽管战时紧急需求项目的工作负担很重,但兰利实验室的研究人员仍在考虑高速飞行中的一些问题。例如,1939年兰利实验室喷气研究部对喷气推进的基本方案进行了考察。早在1923年的一篇NACA技术报告中已经简单叙述过该方案及其原理。

不仅是美国NACA的科学家,其他国家的研究人员也在考察和研究喷气推进的问题。德国的第一架喷气式飞机He-178已经准备首飞了;英国编写了该国第一架喷气式飞机的技术要求;意大利正利用一架试验机开展喷气推进技术的飞行研究。

但在1939年,喷气式战斗机的速度优势更适合执行防空截击任务。处于攻势地位的美国空中力量不太关注拦截敌方轰炸机的问题。美军战斗机部队更关心如何增加航程以尽量为远程轰炸机编队提供护航。因此,兰利实验室这份有关喷气推进技术的考察报告就被理所当然地束之高阁了。

对高速飞行的另一项研究工作在1941年开始。当时兰利实验室的一个研究小组在8英尺高速风洞中对各种螺旋桨进行试验,目的是设计出飞行速度达到 500英里/时(804千米/时)的螺旋桨飞机。该小组的研究人员后来成为了兰利实验室从事高速气流研究的技术骨干。在他们的努力下,高速气流的研究工作又为兰利实验室赢得了两次科利尔奖。

高速风洞的试验研究可以找到提供飞行速度的方法,但它只是NACA获得与高速飞行有关的设计数据的方法之一。风洞试验的结果需要飞行试验进行补充,并和自由飞风洞等专用设施的试验结果进行综合分析,由此得出的数据才会为设计师们认可,进而作为飞机设计的基础。

当飞行速度达到500英里/时之时,设计师们就是接近声速的在跨声速范围内工作了。几年前,人们还在质疑飞机的飞行速度能否达到500英里/时。那时,一位英国科学家曾表示,声速“像一堵障碍墙”,阻挡着飞行速度进一步提高。于是,“声障”这个词开始出现在专业文献中,并很快被关注飞行的大众所接受。

声障确实是一道不可逾越的障碍,还是暂时无法突破的一道迷雾?当时还没有搞清这个问题的研究方法。

兰利实验室已经做过一些高速气流试验:从高空投放高速的流线型低阻飞行物,利用其上的仪器设备测量速度和受力情况,通过分析计算来求出跨声速范围内阻力和升力的变化。但是,仅凭这些试验结果还不足以得出飞机设计需要的数据。

当时有一种公认的方法可以得到精确的跨声速设计数据,就是专门制造用于跨声速范围的全尺寸飞机进行飞行试验。

1943年,兰利实验室根据这种方法构思出一架试验用飞机。差不多同一时期,航空界和军方实验室的研究人员也在考虑以该方法解决这个问题。

兰利实验室扩大了跨声速飞行研究工作。1944年3月,在一次有陆军航空队、海军和NACA研究人员参加的研讨会上,兰利实验室对该项工作进行了介绍。NACA也重點支持跨声速飞行的研究,并建议为跨声速飞行试验专门制造一架喷气式飞机。

首架研究机的出现标志着用飞行试验对跨声速飞行进行系统研究的开始,这次探索性的研究将会得到全世界的瞩目。

制造专门的研究机可以说是航空史上的一项创举。此后,NACA和美国军方共同使用一系列的研究机,在航空领域开展了许多独特的研究计划,为其后若干年的新机型提供了基本的设计数据。

直到今天,X系列研究机/验证机仍在为探索先进技术进行着飞行试验,这些试验的结果也将影响未来的飞机设计。

第一架研究机就是后来大名鼎鼎的X-1,该机最初被命名为XS-1,由贝尔飞机公司研制。早在1943年,贝尔飞机公司就对用于跨声速飞行试验的研究飞机有了独特的设计思路。当美国航空器材司令部于1944年初授予其研发合同后,贝尔飞机公司立即开始了研究机的设计和制造。

在X-1设计、制造的同时,兰利实验室的研究人员还在寻找其他的方法。他们不是不看好用研究机进行飞行试验的方法,而是想找出一些成本更低的试验技术来补充全尺寸研究机的飞行试验。毕竟制造一架完整的研究机的费用可不少。

1944年年中,兰利实验室设计出了一种独特的获得高速气流的方法。其理论依据是,在高亚声速飞机机翼上表面的小范围区域内存在着跨声速流。研究人员将一个半翼展的机翼缩尺模型,顺着气流方向安装于飞机机翼最大厚度点附近,缩尺模型垂直于机翼上表面。飞机做高速俯冲时,机翼上方会产生跨声速流。缩尺模型安装座内的试验仪器将记录下局部跨声速流场中模型的受力情况和气流角度,以便在试验结束后进行分析归纳。该方法也被称为翼流法。

试验设备的改进,特别是1944年兰利实验室开发的无线电遥测技术,推动了之前的高空投放低阻飞行物的试验。安装遥测设备后,可以将飞行中测出的各项数据传输到地面站记录下来,而后进行归纳。

该项试验的主要问题,是当时的试验载机实用升限不够高,使得投下的飞行物无法加速到理想的速度,所得到的数据都没有达到过声速,因此试验效果很差。

在各种方法中,机翼上表面局部流场的缩尺模型试验效果最好。这些试验确定,薄翼在高速气流中的特性要远远优于厚翼。

第二次世界大战末期,兰利实验室的一位科学家产生了让机翼后掠以获得更高飞行速度的想法。实际上,后掠使得气流沿翼弦方向的速度分量小于气流速度,在跨声速飞行时,可以推迟局部激波的出现。机翼在飞行速度接近声速时产生的激波,会导致飞行阻力急剧增加。在超声速范围,后掠翼可以设计成让机翼完全处于激波锥之内,从而避免产生激波阻力。

后掠翼并不是兰利实验室的发明,当时有不少科学家都在研究这个问题。就在二战结束前几个月,美国军方提供给航空界和NACA各实验室的一份情报显示,德国已经注意到了后掠翼在高速飞行中的优势,并在新的喷气式飞机设计方案中采用了后掠翼。分析表明,这种还在设计图纸上喷气式飞机,其性能超过了美英正在研发中的所以机型。

从德国缴获的飞机设计资料显示了战后相当长的时期内航空技术的发展格局:对飞机的要求是速度更快,使用升限更高,采用更大推力的涡喷发动机和火箭发动机。但是,由于战争的影响,德国的许多技术先进的机型还没来得及投入实战,缴获的少量新型飞机也只是试验机,无法通过飞行试验获得全部的可靠数据。所以,仍然需要X-1研究机的飞行试验来获得更多的基础数据。

兰利实验室开始了一项新的试验研究,研究人员从地面发射火箭动力模型,希望通过自由飞模型获得有用的飞行数据。由于这种方法颇见成效,为此在兰利以北、弗吉尼亚州海岸附近的沃洛普斯岛上,建立了一个独立的实验机构,专门开展这方面的研究工作。

1945年6月下旬,无人驾驶飞机研究部(PARD)搬到沃洛普斯岛上,当年10月18日,无人驾驶飞机研究部成功发射了第一架研究飞行阻力的实验飞行器。这架仍然采用火箭动力的模型飞机,主要用于评估机翼和机身形状,为跨声速和超声速飞机的基础设计提供参考数据。

飞行试验用的模型飞机设计得越来越精巧了。1946年6月无人驾驶飞机研究部发射了一架用于操纵面研究的试验飞行器。该飞行器可以按预定的机动飞行程序偏转副翼,以评估横滚时的操纵特性。

此后,被昵称为“沃洛普斯站”的无人驾驶飞机研究部规模越来越大,原有的试验场地已不够用。最终,把设在钦克提科的原海军航空站的一部分也扩充了进去。到了20世纪60~70年代,沃洛普斯站还为“水星”计划、“双子星”计划和阿波罗载人航天计划,以及包括弹射救生系统在内的其他火箭动力装置作出了重大贡献。

回到X-1飞机这边,在该机完成制造后,首飞的日子也临近了。试飞工作选定在加利福尼亚州穆罗克的美国陆军航空队飞行试验区(穆罗克机场)进行,该区域紧邻世界上最大的罗杰斯干湖床。X-1研究项目的一些工作人员陆续来到穆罗克参与这次试飞,包括从兰利实验室抽调的13名工程师、仪表专家等技术人员。这些人员组成的新单位被命名为“美国国家航空咨询委员会穆罗克飞行试验队”。 陆军航空队穆罗克机场,就是今天著名的爱德华兹空军基地;NACA穆罗克飞行试验队,也发展成为美国航空航天局德莱顿飞行研究中心(NASA Dryden Flight Research Center)。

惯常于设计非常規飞行器的贝尔飞机公司,在X-1的研发中采用了较为传统的设计。粗壮结实的飞机结构,使其能承受的最大载荷比当时的大多数战斗机要高出近一倍。X-1的动力装置采用了一种比较可靠的火箭发动机。该机的设计原则也很简单:尽量不要采用未经验证的不成熟技术。

飞行中向火箭发动机输送燃料/氧化剂的装置就遇到了类似情况。一种由涡轮驱动的燃料/氧化剂泵是重量最轻的燃料供应方式,但是在X-1试飞前该装置还未完成研制。贝尔飞机公司不得已采用了压力燃料供应系统。这个系统采用贮存在12个球形压力容器中的氮气(压力约为13.8兆帕)将燃料/氧化剂压入火箭发动机。

由于压力燃料供应系统重量较重,减少了X-1的燃料携带量,剩余的燃料仅能维持2.5分钟的动力飞行。为了让宝贵的机载燃料充分发挥作用,贝尔飞机公司建议采用专门改装过的B-29轰炸机作为载机。B-29将X-1挂于机腹升空,在空中投放后者。

贝尔飞机公司表示,采用空中发射有两点好处。首先,正式试飞前可以进行多次无动力滑翔飞行,从而确定在低速时飞机的基本气动力设计是否有问题。其次,由于省略了起飞、爬升阶段,绝大部分燃料将用于俯冲增速使X-1进入跨声速区域,该机的主要目标正是研究跨声速范围的飞行特性。

贝尔飞机公司的建议获得通过。1946年初,在佛罗里达州松堡上空,X-1由B-29携带升空进行了无动力滑翔飞行。当年年底,X-1又进行了第一次空中发射的动力飞行。

1946年,跨声速研究领域取得的另一项主要成就,是研制了一种飞行速度超过1100英里/时(1770千米/时)的火箭动力研究飞行器。这是由沃洛普斯站完成的,目的是通过发射该模型来研究一系列具有不同后掠角和平面形状的机翼。

而兰利实验室则继续研究采用风洞试验或自由飞模型来达到跨声速的方法。

兰利实验室将研究跨声速流的翼流法用在风洞试验中,即在7英尺10英尺(2.1米×3.0米)风洞的试验段中加装了一个拱形板。风洞试验段的气流马赫数可以达到1.2,然而风洞随后就因为超声速流产生的激波而“阻塞”,试验结果也跟着变得不准确了。正是由于风洞试验段出现的激波的干扰,使得在声速流场附近很难取得有用的结果。兰利实验室的研究人员分析认为,如果激波可以消除或吸收,那么试验段的气流及其测量工作就不会受到干扰了。

这个问题最终被兰利实验室的研究人员解决了。在16英尺(4.87米)高速风洞附属的15英寸(0.38米)小型风洞从事试验工作的一位工程师,和另一位研究流体理论的技术人员经过共同努力,终于在开了纵向缝的试验段建立了跨声速流场。带开缝的喉道吸收了激波,保持了试验段的气流通畅,使得测试工作可以不受干扰地顺利进行。

这是风洞技术的一项重大突破。在此基础上,最终发展出了用于跨声速流场研究的开槽喉道式风洞。1951年,当该项技术的保密条例解除后,兰利实验室的约翰·斯塔克和他的助手因此获得了科利尔奖。

1947年4月,无人驾驶飞机研究部/沃洛普斯站在一次性能评估试验中第一次发射了一架真实飞机模型——共和飞机公司XF-91的缩尺模型。XF-91战斗机为了满足高空拦截作战性能采用不少奇特的设计,动力装置由涡喷发动机(主动力)和液体火箭发动机(加速用辅助动力)组成。

在完成了XF-91缩尺模型的飞行试验计划后,无人驾驶飞机研究部继续对陆军航空队(空军)和海军的大部分亚声速与超声速飞机设计方案进行了模型飞行试验。

在这样的条件下,人类终于迎来了突破声障的那一天。

1947年10月24日,查尔斯·耶格尔上尉在驾驶X-1进行第九次动力飞行时达到了马赫数1.06的速度。这是有人驾驶飞机在平飞中第一次超过了声速,并清楚地表明了通过跨声速区域时飞机是可以操纵的。

此后,陆续有很多试验机和生产型飞机完成了超声速飞行,也陆续有更多性能更先进的研究机加入到了X飞机系列,为航空技术的发展做出贡献。

从1947年起,贝尔飞机公司的劳伦斯·贝尔、美国空军的查尔斯·耶格尔上尉和兰利实验室的约翰·斯塔克相继荣获了科利尔奖,这既是他们个人的荣耀,也是人们对X-1计划及相关人员的创造性成就的赞扬和认可。自从X-1飞机穿破了声障的迷雾,飞行速度的纪录就不断被刷新,超声速飞行也变得不在神秘。英法联合研制的“协和式”客机的巡航速度超过马赫数2.0;美国的SR-71“黑鸟”和苏联的米格-25“狐蝠”甚至突破了热障。

但是在1947年,完成超声速飞行确實是一项具有历史意义的成就。这是兰利实验室从二战初期开始的长期研究工作的成果,也是向航空领域的下一个创造性时代——超声速时代迈出的第一步。