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　　近代人类在航空器上惊人的发展，起源于一百多年前莱特兄弟完成的人类首次动力飞行。人类历史上首先问世的飞机是架全木制、桥梁衍架式双机翼，谈不上有机身的简陋结构，随着两次世界大战的军事需求，以及20世纪30年代开始萌芽的民航事业的强烈需求下，今日的飞机已逐步演进成全金属、单悬臂式机翼、庞大机身的精密结构，与百年前天差地别。上世纪末由于隐身的需求，复合材料成为飞机结构材料的新宠，只是虽然有助于飞机性能的提升，但对结构设计的本质却影响甚微。

前言

　　1903年12月17日，在美国北卡罗来纳州东北部的小鹰镇（Kitty Hawk, North Carolina），一架装着螺旋桨，比空气重的航空器“飞行者”（Flyer）飞离地面，在人为操纵下飞行了36.5米，完好无损地降落在不比起飞位置低的地面上，完成人类历史上首次的动力飞行。操控这次简短但深具历史意义飞行的是32岁的奥维尔·莱特（Orville Wright）。他和年长4岁的哥哥威尔伯·莱特（Wilbur Wright）以掷铜板的方式决定由奥维尔来飞，而威尔伯则在一旁观看。在俄亥俄州德顿市（Dayton, Ohio）以制造自行车为业的莱特兄弟，又轮流操纵了三次时间更久、距离更远的飞行，威尔伯在最后一次飞行中持续了59秒，距离259.7米。在接下来的第五次飞行中，飞机遭遇到强劲的阵风而向前翻覆，由于损伤严重再也无法飞行，但全新的航空时代就在当天正式开始。


首飞前莱特兄弟正在练习“飞行者”的操纵技术





奥维尔·莱特（左）和威尔伯·莱特（右）

　　“飞行者”的设计基础来自之前莱特兄弟的一系列滑翔机，其中莱特兄弟的忘年好友沙努特（Octave Chanute）贡献最大。沙努特比莱特兄弟年长35岁，在43岁时才对航空发生兴趣，此后的余生就埋首于航空信息中，因此他对全世界的航空器发展了如指掌。沙努特是个优秀的土木工程师，他舍弃了当时试飞成功的鸟或蝙蝠的翅膀造型，在1896年以桥梁的衍架（truss）设计方式，成功制造出双翼滑翔机。莱特兄弟选择沙努特的衍架式双翼（biplane）构型，除了强度高之外，也因为升力面最大，而且通过拉绳改变双翼对角拉线张力卷起翼尖，能适度控制飞机，这是莱特兄弟飞机和当时其它飞机最大的不同，其它飞机虽然也能飞行，但只有“飞行者”可以操控。









　　“飞行者”的结构很简单：两片外型完全相同的上下机翼由垂直支撑柱和对角线拉力钢线连接，翼展12.31米，弦长1.98米，莱特兄弟根据在自行车店里自制的风洞，确定了翼剖面形状和展弦比。机翼前后梁和垂直支撑柱是杉木制连续梁，上下机翼的前梁、垂直支撑柱、对角线拉力钢线三者构成了衍架结构，飞行员俯卧在下机翼的中央偏左位置。莱特兄弟设计制造了四缸水冷式，81.6千克重、12马力的汽油发动机，安装在下机翼正中央，发动机动力由链条和齿轮传送到两副反向旋转、直径2.44米、安装在机翼后方的推进式螺旋桨上，使“飞行者”能以每小时55.56公里的速度巡航。螺旋桨枢轴位于上下翼间，由独立钢管焊接而成的衍架固定在两翼的后梁上。螺旋桨叶的材料为杉木夹板，由莱特兄弟以手工自行弯制，外型也是根据洞测试结果而确定。





1903年“飞行者”号三面图

　　“飞行者”的机翼很薄，每片机翼上大约有40根松木翼肋，都由蒸气加热整形以配合翼剖面的形状，并和前后梁搭接。翼肋前缘是一个平面，用钉子和胶水与前梁的后表面搭接，翼肋后缘则以轮胎线（tire cord）与后梁捆扎，机翼外表面用粗棉布包覆，再用钉地毯的扁头钉把布固定在翼肋上。粗棉布不但承受飞行负载，也承受结构的阻力和惯性力。






“飞行者”号的翼肋和机翼下表面蒙布

　　“飞行者”的机头有两片小鸭翼来控制升降，机尾有个方向舵，配合机翼翼尖后缘向上或向下的扭转，可控制飞机的偏航和滚转。威尔伯观察到大型飞鸟遇到阵风干扰飞行时会稍微扭转翼尖来重新获得横向稳定性，莱特兄弟的“飞行者”就是利用了这种技巧。





“飞行者”号依靠上翼翼尖的扭转进行偏航和滚转控制

　　在“飞行者”飞行成功后，莱特兄弟回到家中开始进行一系列的改进，以改善性能、操控和稳定性。1904年制造出的“飞行者二号”外观大小和“飞行者”大致相同，但换装了15马力的新发动机。莱特兄弟以这架飞机进行了大约80次的短时间飞行，练习动力飞行的控制及飞行动作。





“飞行者三号”现代复刻机

　　1905年制造出来的“飞行者三号”时速64.82公里，是第一架真正的全动力飞机，其基本外型和前两架相同，也沿用“飞行者二号”的发动机，但机身较长控制面也较大。和前两架不同的是这是一架可完全操控的飞机，很容易侧倾、转弯、或做8字型的飞行动作。1911年莱特兄弟制造的军用“飞行者”B飞机把升降舵移到后机身，以铰链式副翼取代扭转机翼，并增加轮子供飞机起降，飞行员和一名乘客可以坐在机翼的前端，不用俯卧了。




军用“飞行者”B已经很完善了

　　当时在美国和欧洲已经有许多人成功制造出飞行器，虽然外型千奇百怪，但双机翼构型被公认为世界设计标准，杉木成为标准结构材料，杉木夹板螺旋桨也随处可见。优质的杉木在早期供应充足，加工和修理都很容易，单位重量强度比铝好，因此没人考虑用铝。大家都以粗棉布覆盖在飞机外表，由于当时飞机的速度很慢，粗棉布承受气动力负载的情况良好，即使破裂也很容易修理。



莱特兄弟之后的飞机结构

　　1903年之后10年内出现的飞机大多模仿莱特兄弟的“飞行者”，衍架式双机翼和前置式升降舵，飞行员、发动机、油料、载荷……全部物品都装下翼的开放空间上。法国这时出现了新的结构设计概念，有单机翼（monoplane）设计的趋势，由路易·布莱里奥（Louis Bleriot）和雷蒙·索尼耶（Raymond Saulnier）设计的布莱里奥十一型（Bleriot Model XI）就是其中一个著名的例子。这架飞机首飞于1909年1月，最高速度每小时87.04公里，安装一具25马力、3汽缸、气冷式星型发动机，衍架式木质机身的左右两侧局部覆盖着粗棉布。



路易·布莱里奥（左）和雷蒙·索尼耶（右）





布莱里奥十一型现代复刻机

　　这架飞机和“飞行者”有相同的薄机翼设计，机翼外表面覆盖粗棉布，上下翼面弯曲弧度很大，机翼前后梁的上下缘都被削薄，使翼肋的上下缘条能跨于翼梁上。由于翼梁强度不足以支撑飞行和降落时的负载，故需要外露式拉力钢线辅助。飞行时升力使翼梁向上弯，上半部拉线不受力，下半部的拉线受张力；降落时机翼的惯性力使机翼向下弯，上半部拉线受张力，下半部拉线不受力。拉线受力时，垂直于翼梁的分力会承担翼梁上的部分剪力负载，这和双翼机的垂直支柱作用一样，不过拉线上的张力有个沿着翼梁指向机身方向的分量，会对翼梁产生压迫的作用，当时颇受大家的关注。因为木头并不耐压，机翼两端被向内压挤下可能会使机翼屈曲（buckling）破坏。



布莱里奥十一型三面图，机翼由外露式拉力钢线辅助支撑

　　“布莱里奥十一型”原本有着枢轴副翼（pivoting ailerons），但飞机的横向稳定性并不好。1908年8月在法国的勒芒（Le Mans）附近的赛马场，布莱里奥目睹威尔伯驾驶“飞行者A型”在一次促销展示飞行中，重复表演了令人激赏的操控侧弯，留下深刻印象，于是把“飞行者”的机翼扭转方式用在了他的飞机上，才使“布莱里奥十一型”有了真正的横向控制能力。由于布莱里奥对飞机操控性深具信心，因此在1909年6月25日一个大雨的早上，完成了人类首次动力飞行飞越英吉利海峡的壮举。“布莱里奥十一型”后来进入批生产，到第一次世界大战爆发时已生产多架，成为世界知名飞机之一。




布莱里奥的枢轴副翼，升降舵也采用这种形式






当布莱里奥在英吉利海峡对岸的多佛降落的时候，第一个迎接他的是当地一名警察

　　同时期法国还出现了多种外型类似的单翼机，德国在1915年也有外形差不多的福克E-Ⅲ单翼机（Fokker E-Ⅲ），在大战末期还发展出更先进的内置拉线单翼机。英国因为考虑强度和耐用性，对单翼构型并不热衷，所以整个第一次世界大战期间，英国只在1917年出现一种单翼机——布里斯托M.1C（Bristol M.1C）。



福克E-Ⅲ单翼机




布里斯托M.1C现代复刻机


一战期间飞机结构

　　第一次世界大战期间最重要的两大结构创新是悬臂式机翼（cantilever wing）和硬壳式机身（monocoque fuselage）。不需要任何拉力钢线的机翼被称为悬臂式机翼，其基本架构仍是翼梁与翼肋，但单凭主翼梁的强度就足以支撑机翼的飞行负载。第一次世界大战时第一架实际生产的悬臂式机翼战斗机，是当时由荷兰飞机设计师福克（Anthony Fokker）为德国空军所制造的时速213公里的福克Dr-I三翼机，这架飞机由1912年进入福克公司担任首席设计师的普拉茨（Reinhold Platz）设计。1917年出厂的福克Dr-I木制机翼上没有会产生阻力的拉力钢线，三翼的翼尖由一根薄而流线、非结构的垂直支撑条贯穿，用来控制某些飞行状况下的飞机颤振，机翼的强度来自一根强壮的方型翼梁。由于普拉茨精通焊接，因此Dr-I的衍架式盒状机身就以焊接钢管取代了木条，但仍然保留交叉钢线。




悬臂式机翼的主翼梁的强度足以支撑飞行负载




安东尼·福克




福克Dr-I取消了机翼之间的拉力钢线





机身则是焊接钢管和交叉钢线结构

　　由普拉茨设计并于1918年服役的福克D.VII双翼机，把Dr-I的无拉力钢线、盒状翼梁、高升力机翼、交叉钢线金属焊接机身更为发扬光大，这两架飞机的特征都是外覆帆布，有着盒状翼梁的悬臂式机翼。而同年出现的机身纤细D.VIII单翼机，则有着后来成为标准设计的厚翼根、外覆三合板的机翼。






莱因霍尔德·普拉茨




福克D.VII双翼机现代复刻机



　　早在福克飞机之前，就有人设计出厚实的悬臂式机翼和全金属飞机了。1910年一位德国热动力学教授容克斯（Hugo Junkers）对航空产生了狂热兴趣，首先设计了内置拉力钢线的金属悬臂式厚机翼，虽然没有真正生产，但容克斯把这个机翼应用到1915年设计制造的单翼机J.1上，比福克的设计要早。J.1是第一架成功的全金属飞机，相当笨重，飞行时速194公里，只能容纳一名飞行员，机身钢管结构外部覆盖薄铁片，因此被昵称为“锡驴子”，机翼安装在机身中间（中置式），翼根很厚，逐渐向翼尖收薄。




雨果·容克斯




荣克斯J.1单翼机

　　容克斯曾想使用木材，但经过详细考虑之后，他认为只有金属材料才能实现设计理念。容克斯认为自然生长的树干和树枝只能提供大小、形状固定的木料；而金属所能提供的特性与尺寸几乎毫无限制，而且容易加工成形，可靠性和强度值可以正确掌握，又不受天候及大气的影响。

　　虽然德国军方对容克斯的设计抱有怀疑和排斥态度，但容克斯深信飞机本来就应该以金属制造，并继续改进他的设计。他把机体外蒙皮由铁片改为当时德国刚发明的轻质铜铝合金，用在1917年全金属的J.4翼半双翼机（sesquiplane）上，铝质外蒙皮呈波纹形来增加强度，波纹方向由前往后以减少风阻，该机被德军选定为主要对地攻击机，同盟国对其几乎束手无策。到大战结束的1918年11月，全金属、铝质波纹外蒙皮、悬臂式单翼构型的J.9和J.10相继服役，这两型飞机的机翼都安装在机身底部（下置式），和以往把机翼安装在机身顶部（上置式）或中间有所不同，容克斯考虑一旦飞机失事坠毁，机翼可以吸收撞击的能量，有利于飞行员的安全。等可收放起落架出现后，下置式机翼可使用较短较轻的起落架，显示出这种设计的另一个优点。容克斯对飞机结构演进的影响是全面性的，他是第一架悬臂式机翼飞机、第一架全金属飞机、第一架下单翼飞机的设计者与制造者。




容克斯J.4翼半双翼机






J.4的波纹蒙皮





全金属下单翼波纹蒙皮的J.10

　　第一次世界大战期间另一个重要的设计创新是硬壳式机身，mono来自希腊文，是“单一”的意思；coque来自法文，是“外壳”的意思，因此monocoque的意思是一片式外壳（就像蛋壳）。硬壳式结构有着薄而成弧状的外壳，不需内崁式加强条就能支撑外部负载，如果外壳和可分担负载的隔框或加强条搭接，则就称为半硬壳式（semi-monocoque）结构，这两种结构的主要承载部件都是那层应力蒙皮（stressed skin）。因此若依照严格的定义，现代飞机很难说是半硬壳式结构，因为机体蒙皮上有许多维护开口（cutout），所以绝大部分的气动力负载都由桁条和隔框承受，而不是蒙皮。




硬壳和半硬壳式机身的区别

　　硬壳式机身实际上在一战爆发的前夕就已经出现了，当时已有人尝试在圆形的木制隔框上铺上几层很薄的三合板，但因为很费工，以这种施工方式做出来的飞机没几架，其中最著名的的是法国的“竞赛者”（Racer），这架快速且流线的单翼机的壳状机身是由上下两片压模成形的木质三合板接合而成，它在1912年创下时速超过185.2公里的纪录。硬壳式施工技术的突破是在1918年，当时在劳黑德飞机制造公司（Loughead Aircraft Manufacturing Company）任职的诺斯洛普（John K. .Northrop），和公司创办者阿伦和马尔科姆·劳黑德兄弟（Alan and Malcolm Loughead），以及公司的制造总监斯塔德曼（T. Stadlmam）共同获得了硬壳式机身制程的专利，将施工的时间大幅度缩短。专利编号为1,425,113，诺斯洛普是主要设计者。



外形优美的“竞赛者”现代复刻机





机身壳体的制造过程，在模具表面使用木条一层层铺设胶合成形





制造完成的上壳体






等待胶合的下壳体

　　第一次世界大战末期的1918年，一些飞机结构的设计方式俨然已经标准化了，例如为了增加升力，机翼做得较厚，而且下翼面的弦线方向曲率较小，因此能使用较宽的翼梁以增加机翼的强度和刚性。还出现了简洁的无拉力钢线机翼，和以金属取代木材作为飞机主结构的时代趋势。不过一直到20世纪20年代初，当时在天空飞翔的飞机绝大多数还是有着外露式拉力钢线、装有副翼的强壮机翼、独立衍架式交叉钢线机身、以粗棉布覆盖外表面的木制双翼机。s



一战后的飞机结构

　　第一次世界大战期间的飞机结构科技发展非常迅速，战后由于缺少刺激而使步伐变慢。大战期间各国共生产超过15万架的飞机，大部分使用木材制造，使得木料来源濒临枯竭，大战末期由于杉木缺乏，设计人员只得采用夹板而非实木来设计支柱和翼梁。也由于木材的供应有问题，英国的航空部（Air Ministry）宣布未来英国飞机将采用全金属的设计，不过二战时期英国著名的蚊式战斗机（Mosquito），还是以三合板做为结构材料，该机也是全世界最后一架全木制生产型飞机。

　　1919年，容克斯把J.10的经验融入单发民用机F.13的设计里。这是一架全金属、铝质波纹蒙皮、悬臂式下单翼飞机，可乘坐两名机组和四名乘客，时速167公里，到1932年底共生产了350架。接着是可乘坐15名乘客，时速278公里，非常成功的Ju 52民航机，并成为纳粹德国空军第二次世界大战时的空运主力。Ju 52是下单翼机，方方正正的机身覆盖铝质波纹蒙皮，看外观就是典型容克斯飞机，机鼻和左右机翼的发动机舱内共安装3具星型发动机。





等待最后组装的F.13





容克斯波纹蒙皮的代表作——Ju 52

　　美国福特汽车公司（Ford Motor Company）从1926年起也开始生产外型方正、全金属、厚实上单翼、波纹蒙皮、和Ju 52一样3具发动机的“锡天鹅”（Tin Goose）3发飞机（Trimotor），该机可乘坐12名乘客、时速232公里。虽然福特和容克斯的波纹蒙皮非常耐用，但蒙皮事实上承受的负载很少，却产生不小的风阻，以结构效率而言这种设计没什么前途。




同样是波纹蒙皮三发的福特“锡天鹅”

　　1916年，一位二十多岁热衷于飞机的年轻小伙子诺斯洛普毛遂自荐加入加州圣芭芭拉，由劳黑德兄弟创立才一年的劳黑德飞机制造公司，他最初负责设计F-1（Flying Boat No.1）的机身外形，接着则设计翼展长达22.86米的机翼。F-1是一架双发、可乘坐10名乘客的双翼水上飞机，也是当时全世界最大的飞机，1918年3月28日由阿伦进行首飞。




约翰·诺斯洛普






坐在F-1水上飞机座舱中的劳黑德兄弟，左边是马尔科姆，右边是阿伦

　　F-1的飞行性能非常优越，美国海军也有所耳闻。阿伦应海军的要求把飞机飞到圣地亚哥的北岛（North Island）进行评估测试，不过美国海军当时才刚订购了寇蒂斯HS-2L（Curtiss HS-2L）水上飞机机，因此在进行了3个月的测试后，只与劳黑德签约制造两架改进型飞机，并请他们为海军代工制造HS-2L。




劳黑德F-1水上飞机

　　一战结束后，军方的代工合约马上取消，公司的生存立即遭遇严重的威胁，但劳黑德兄弟与诺斯洛普仍不气馁，准备生产一种新型大众化的单人双翼小飞机S-1以挽救公司。大概是受到诺斯罗普当初设计F-1船式机身的经验影响，S-1最大特征就是半硬壳式机身。




劳黑德S-1运动飞机



S-1硬壳机身的制造模具


　劳黑德的S-1机身也和“竞赛者”号一样采用两片式接合制造，不过这两片壳状半机身是由三层杉木条在混凝土模子内靠模成形，然后只需20分钟就能定位并高温胶合，机身外形有如子弹，气动效率非常好。S-1于1920年首飞，但没卖出半架，这不是S-1不够好，而是当时市场上充斥着一大堆战时生产的飞机，不论新旧正贱价抛售。劳黑德公司因此关门大吉，诺斯罗普也跳槽到位加州圣塔莫尼卡的道格拉斯飞机制造公司（Douglas Aircraft Company）。劳黑德公司歇业后，对航空工业仍然满怀热情的阿伦于1926年在好莱坞创立了洛克希德飞机公司（Lockheed Aircraft Company），并立即邀请诺斯洛普返回公司任职，共同设计生产一架全木制7座单发小飞机、具有6.35毫米厚木板制造的半硬壳式机身、超流线外形、全封闭式客舱、悬臂式上单翼。这架飞机被诺斯罗普命名为“织女星”（Vega），巡航速度每小时287公里，该机于1928年7月4日首飞，很快就成为成功的商务客机。“织女星”之所以能在飞机结构发展史上占据特别重要的地方，是因为该机证明了在提供相同机内空间的情况下，半硬壳式机身结构能比传统的衍架式设计减少35%横截面面积，因此降低了风阻，减轻了飞机的重量，让飞机有更好的性能、载运更多的旅客。“织女星”的成功设计很快就在全世界流行开来，也影响了大型运输飞机的设计理念。



第一架“织女星”NX913





“织女星”的硬壳机身

　　1929年诺斯罗普离开洛克希德，自己成立了一家诺斯洛普飞机公司（Northrop Aircraft Company），探索应力蒙皮结构的应用，而洛克希德则沿用“织女星”的设计继续制造飞机。1931年洛克希德推出的“猎户座”（Orion），基本上就是把“织女星”改为下单翼布局，因此可以使用较轻较短的起落架，收起时可放进厚翼根内。“猎户座”是第一架使用可收放式起落架的民航机，因此虽然和“织女星”使用相同的550马力星型发动机，巡航时速却快92.6公里，事实上每小时370公里的巡航速度已比当时大部分战斗机的速度还快。从此之后，流线型半硬壳机身、悬臂式下单翼、可收放式起落架就成为飞机的标准构型了。




洛克希德“猎户座”率先采用了可收放起落架，大大降低了飞行阻力

　　诺斯罗普离开洛克希德后做的第一件事就是制造一架很像飞翼的飞机，这架于1929年完成的实验性飞机翼展长达9.14米，机翼厚度由翼尖向翼根处逐渐增厚，机翼中线处并排安置两个开放式座舱，机翼中央有一类似机身的凸出结构用来安装发动机，两根细长的尾撑用于安装机尾控制面。这架飞机的外型虽然是当时首创，但仍属铝质半硬壳式结构，诺斯罗普以该机来测试如何造出更有效率、更轻的金属飞机，例如：这架飞机没有传统的翼梁，而代以弦线方向间隔38.1厘米向全翼展延伸的6片垂直抗剪腹板（shear web），腹板的顶端和尾端弯折90度以提供加强条的功能，腹板和机翼外蒙皮在此以铆钉铆接。





诺斯罗普1929年试验飞翼，为了保险起见还是保留了尾翼




从这个角度可以看见机翼前后展向腹板的凸痕

　　继这架飞机之后，诺斯洛普公司在20世纪40年代到50年代之间，陆续研制了N-1M飞翼（flying wing）以及相同外型的XB-35和YB-49，最终则是在1989年首飞的全复合材料隐身轰炸机B-2。




N-1M飞翼开创了诺斯罗普的飞翼帝国

　　虽然诺斯罗普的飞机只是实验性质，但诺斯洛普公司迅速在1930年推出了“阿尔法”（Alpha），这是第一架以平头铆钉接合（flush-riveted）的全铝、光滑外表面、半硬壳机身，以及全铝多室机翼（multicellular wing）的生产型飞机。它可乘坐6名乘客，下单翼、安装一具星型发动机、外覆由美国国家航空顾问委员会（NACA）设计的减阻发动机罩。



外表光滑的诺斯罗普“阿尔法”





“阿尔法”首先采用了全铝多室机翼

　　多窝状机翼结构是诺斯罗普当年任职于洛克希德公司时所研制的，在这种设计里，机翼蒙皮可承受弯矩、压缩、拉伸负载，而不需翼梁的上下缘条（spar cap）。这种应力蒙皮的设计方式也成为20世纪30年代的标准，除了应用在诺斯洛普公司本身的飞机外，道格拉斯公司飞机和波音经过稍微修改后，都应用到各自的DC系列和




去掉蒙皮的“阿尔法”机翼，取消了传统的盒形翼梁，用翼肋和多翼梁纵横交错，形成许多小腔室

　　在之前的飞机设计中，金属仅是木头的替代材料，飞机设计方式并没有因此创新，“阿尔法”宣告了这种设计方式的结束。从20世纪30年代初期开始，单翼、全金属、半硬壳、应力蒙皮成为标准设计，配合价廉高强度铝合金的研制，以及发动机和螺旋桨设计的进步，这种设计方式成为时代趋势。

　　虽然在第二次世界大战开始时，许多国家的军用飞机仍坚持双翼构型，但在20世纪30年代，全金属半硬壳单翼的设计理念也扩展到军机上。美国在1932年3月推出了第一架单翼战斗机——波音的P-26“玩具枪”（Peashooter），时速370公里，采全金属、铆钉接合、开放式驾驶舱、固定式起落架、单发动机、以及与B-247相同的发动机罩，机翼因为有外拉钢线所以不完全是悬臂式。真正的第一架悬臂式单翼战斗机在3个月后出现，这就是于1932年6月首飞的法国德瓦蒂纳D-500。这架飞机和P-26一样采用固定式起落架、开放式驾驶舱、V12水冷式发动机，性能大致相仿。1933年苏联出现时速达500公里的波利卡尔波夫I-16，这是第一架悬臂式机翼可收放式起落架的战斗机，机翼采用全金属翼梁，但外表面覆盖粗棉布，安装在木头硬壳式机身上。第一批全金属、铆钉接合、半硬壳式机身、下单翼、可收放式起落架、封闭式座舱的战斗机是1935年4月出现的美国寇蒂斯公司的霍克75A/P-36、5月出现的德国Bf 109、以及8月出现的美国P-35。




寇蒂斯霍克75A/P-36



现代民航飞机结构的诞生

　　第一架全金属，具备一切现代民航客机（除螺旋桨发动机外）特点的商用单翼机是1930年波音公司的单发邮政机（Monomail），波音根据这架飞机的半硬壳式机身和应力蒙皮设计，在1931年为美国陆军航空部研制了双发动机轰炸机的原型机YB-9。




波音Monomail结构图





YB-9轰炸机

　　由于美国陆军未将YB-9投产，波音与它的商业伙伴联合航空（United Air Lines）经过慎重考虑后，在1932年以B-9构型为基础研制了体型稍小的商用机型，这就是于1933年2月首飞的B-247。这架在结构设计史上翻下新篇章的飞机是架具有全金属、应力蒙皮结构、全包覆式机舱、橡胶除冰靴、配平片（trim-tab）、流线型发动机罩、自动驾驶仪、下单翼、可收放式起落架设计特点的飞机，只凭一台发动机也能飞行和爬升。也就是说B-247是第一架“现代化”的民航机，之后的每一种民航机都是在模仿它的特点。这架飞机虽然只能乘坐10名旅客，但飞行时速比福特的三擎机快上56公里，可在24小时内飞越美国本土，因此极富商业竞争力，广受各家航空公司的欢迎而供不应求。但飞机的机身较低矮，旅客在机舱内要弯腰前进，还得跨过突出于地板上的机翼后梁。





波音247是划时代的民航机

　　由于波音的生产线无法满足航空公司的订单，道格拉斯公司乘势崛起，迅速推出后来名噪一时的全金属、下单翼、双发动机、可收放式起落架DC（Douglass Commercial）系列客机。可乘坐12名旅客的DC-1首飞于1933年，只比B-247晚了五个月。DC-1的机翼翼梁在机舱地板的下方，因此舱内地板平坦，空间较宽阔，旅客不需弯腰。1934年道格拉斯公司接着推出了机体较长，可乘坐14名旅客的DC-2；1935年则是推出了可乘坐21名旅客的DC-3。

　　DC-3的性能、有效载荷、坚固性使得航空公司真正开始能从民航运输中赚取利润，因此到了1940年就成为全世界航空运输业使用最多的飞机。DC-3是第一架能通过运送旅客及货物，不需政府补贴就能赚钱的民航机，到第二次世界大战结束时，共生产了1万1,000多架，是全世界到目前为止单一机型生产量最多的飞机，其中大多数是军用型的C-47。



DC-3是第一架能通过运送旅客及货物，不需政府补贴就能赚钱的民航机

　　DC-3划时代的成功，归功于同时具备了可收放式起落架、NACA设计的发动机罩（B-247的发动机罩由波音自行设计）、襟翼（B-247没有襟翼）、高效率增压发动机、变距螺旋桨。DC-3机翼内有三根主梁而非常见的两根，增加了机翼的耐用度，使得飞机结构具有安全性损坏（fail-safe）特性，疲劳寿命很长。DC-3具备了一切铝合金半硬壳结构的特点：成形后的铝蒙皮以铆钉和机体、纵梁、翼肋、翼梁、加强条、成形条相互铆接。现今最新式的C-17“环球霸王”（Globelmaster）运输机，翼展50.29米，最大起飞总重265吨，但机翼结构却和翼展28.96米，最大起飞总重11吨的DC-3基本一样，都是三翼梁、多翼肋、应力蒙皮的设计。可以这么说：DC-3之后的飞机和DC-3之间只有细节的差异，基本设计理念没什么不同。




DC-3的三翼梁机翼


二战时期飞机结构

　　除了少数外，二战时期出现的战斗机和轰炸机大多是半硬壳式结构，材料大多是铝和钢，例外之一是当时颇富盛名的英国“蚊式”（Mosquito），这是一种时速667公里、双发上单翼的战斗轰炸机，于1940年11月首飞。“蚊式”是架轻重量、敏捷的全木制飞机，机身为两层杉木夹板中间夹轻质木料构成的硬壳式结构，这是历史上三明治结构（sandwich construction）的首次应用实例之一。到1950年为止，“蚊式”共生产了780架，是最后一种生产型全木制飞机。





“蚊式”也是采用木制硬壳机身的，图中机身两侧的物体是制造左右硬壳的木模

　　在航空史上，从1939到1947年是涡轮喷气发动机革命的年代，除了极少数例外，这段期间所出厂的飞机不论外型有多大的差异，内部基本结构和DC-3几乎没什么不同，能对飞机结构设计带来新意的就是是20世纪30年代晚期分别由英国惠特尔（Frank Whittle）和德国的奥海因（Hans J. P. von Ohain）发明的涡轮喷气发动机。1939年8月27日，一架德国的秘密实验飞机He 178首飞成功，两年后的1941年5月15日，惠特尔390公斤推力的离心式涡轮喷气发动机推动着格罗斯特（Gloster）E-28/39飞行了17分钟，带领英国进入喷气时代。




弗兰克·惠特尔和他的离心式涡喷发动机设计






无独有偶，冯·奥海因的第一个设计也是离心式的








都是机头进气、单发的He 178（上）和格罗斯特E-28/39（下）验证机

　　全世界第一架喷气式战斗机是梅赛斯密特（Messerschmitt）设计的Me 262，于1944年进入德国空军服役，一个月后格罗斯特飞机公司的“流星”战斗机（Meteor）也加入了英国皇家空军的行列。这两种飞机的涡轮喷气发动机都装在机翼上，时速超过926公里，大大超过了最快的螺旋桨飞机。








都是双发、机翼发动机短舱的Me 262（上）和“流星”（下）

　　Me 262是第一架后掠翼生产型战斗机，机翼后掠的目的是把超重的Jumo 004涡轮喷气发动机的重心后移，巧合的是后掠翼降低了高速时的阻力，但在当时人们不理解其原理何在。为了减少风阻，Me 262的机翼很薄，虽然主起落架能放进翼根内，但机腹就得较宽以容纳轮胎，飞机的剖面就像鲨鱼一样，上窄下宽。早期的Me 262原型机采用后三点式起落架，后来改为前三点式，机鼻有足够的空间来容纳轮子。

　　美国第一架喷气机是贝尔飞机公司（Bell Aircraft）的XP-59A，于1942年10月首飞，由两具通用电气公司的喷气发动机推动，时速接近741公里，总产量不到100架，之后被时速926公里的洛克希德P-80“流星”（Shooting Star）取代，后者是美国的第一种实用化喷气式战斗机，1945年初开始生产。





XP-59A结构图，和活塞式战斗机基本一样，只是机头不再安装发动机了


二战后的飞机结构

　　由于缴获了许多德国涡轮喷气发动机、文件和技术人员，因此二战后苏联很快推出了第一型喷气式战斗机，分别是雅科夫列夫（Yakovlev）设计的雅克-15和米高扬-格列维奇（Mikoyan-Gurevich）两人设计的米格-9，两架原型机都在1946年4月24日首飞，和P-80一样都采用平直翼设计，事实上在二战后研制喷气式战斗机的热潮中，最初人们仍沿用了活塞式战斗机的传统设计，飞机的外型的变化主要是因为喷气发动机的截面积较小，并利用以往被活塞式发动机所占用的机头空间。








笨拙的雅克-15（上）和米格-9（下）

　　1945年到1948年所出现的喷气式战斗机在结构设计上并没有任何创新之处，把涡轮喷气发动机“埋”进机身或机翼的主要动机是气动需求，但牺牲了维修方便性，同时还得加强机翼结构以传递发动机负载。喷气式运输机最后流行把发动机以吊舱形式外挂于机身上或机翼下方，改善了可维护性。

　　在1935年罗马举办的一场高速空气动力学研讨会中，德国的布泽曼（Adolf Busemann）首先提出了后掠翼可降低风阻。1945年1月在NACA的兰利实验室（Langley Laboratory），研究员琼斯（Robert T. Jones）在对布泽曼理论毫无所悉的情况下，在设计导弹过程中提出了“亚音速后掠”的理论，经过几个月的超音速风洞吹试，证实了此理论是正确的。第二次世界大战快结束时，琼斯向主管建议：以后高速飞机都应该采用后掠翼。战后布泽曼携带丰富的后掠翼模型风洞数据来到美国，加入了兰利实验室团队，而这也立即影响到全世界第一架后掠翼喷气轰炸机——波音1947年推出的六发B-47“同温层喷气”（Stratojet），和北美公司（North American）F-86“佩刀”（Sabre）喷气式战斗机的设计，B-47和F-86的机翼都是后掠35度。苏联则根据缴获自德国人的资料，推出了后掠翼的米格-15，该机首飞于1947年12月，只比F-86慢了3个月。F-86和米格-15代表着第二代喷气式战斗机的诞生。





后掠翼之父阿道夫·布泽曼，手持F-86模型




罗伯特·琼斯经过研究证明了布泽曼理论的正确性




后掠翼可以大大降低波阻

　　进入20世纪50年代后，NACA、美国空军、海军开始进行研究超音速飞行，搜集数据并设计超音速飞机，研制了一系列的验证飞机。贝尔公司的子弹外形火箭动力X-1是全世界第一架超音速飞机，X-1先进改型飞到两倍音速，后掠翼不锈钢的X-2则飞过3倍音速；道格拉斯公司的X-3“短剑”（Stiletto）是用来研究惯性耦合的试验平台，具有早期超音速战斗机的典型设计构型；双发的诺斯洛普X-4是后掠翼无尾翼构型，用来研究后掠翼的特性；贝尔X-5则是美国在大战结束时，从缴获的梅赛斯密特P.1011可变几何外形机翼研究机所得到的灵感，验证了由20度到60度的的可变机翼后掠角。虽然这些X系列的飞机对超音速设计并无任何帮助，但却证明了后掠机翼、低厚度/弦线比、全动式尾翼的优点，打破了音障的限制，并使飞机能完全利用涡轮喷气发动机的全部优点。




X-2火箭动力验证机飞过3倍音速

　　1952年在NACA的研究备忘录L52H08中，有一篇惠特科姆（Richard T. Whitcomb）撰写的《近音速时机翼/机身结合处零升力阻力特性研究》的文章，对突破音速有重大的影响。惠特科姆根据风洞测试的结果，证明了“面积律”（area rule）可以降低超音速时的波阻（wave drag）。根据面积律，在飞机上机翼和机身相接合的位置机身的截面积应减小以适配机翼的截面积，对迎面而来的气流而言，机翼加上机身的总面积必需维持不变，因此机身的外型变成所谓的“可口可乐瓶”的样子。康维尔（Convair）公司的工程师立即根据该法则重新设计了1953年首飞但性能不佳的F-102“三角剑”（Delta Dagger）战斗机，将平直的腰部内缩。带有蜂腰的F-102A于1954年12月首飞，速度增加了20%，轻易地飞过音速。“面积律”是喷气机时代最重要的工程发展项目之一，直到今天几乎所有的高亚音速或超音速飞机，多多少少都应用了这个法则。



理查德·惠特科姆




这就是对超音速飞行至关重要的面积律





F-102A缩腰后大大提高了跨音速性能

　　到了20世纪50年代中期，生产型的喷气式战斗机，如由北美公司的F-100“超级佩刀”（Super Sabre），已经能在平飞中超过音速。到了1956年，洛克希德的F-104“星式战斗机”（Starfighter）是第一架能持续飞行于两倍音速的飞机，该机具备优良超音速气动布局所应有的外型——尖锐的鼻端、纤细的机身、薄且锐利的机翼，这种设计的目的是在减弱机鼻和翼前缘的激波（shock wave）强度，以降低超音速时的波阻（wave drag）。F-104的机翼厚度/弦长比只有4%，机翼前缘非常尖锐，停在地面时得加上防护夹才不会伤到附近工作的维修人员。





F-104的机翼前缘极端锐利

　　F-104的机翼无后掠，展弦比（aspect ratio）很低，和一般超音速飞机采用后掠高展弦比机翼的方式大大不同，这是因为平直低展弦比机翼的波阻和后掠高展弦比机翼的波阻大致相同，这种机翼的亚音速性能当然很差，但F-104追求的是两倍音速性能，只好牺牲亚音速性能了。

　　这种第二代喷气式战斗机的机翼很薄，翼载（wing loading）很高，设计时通常采用多翼梁翼肋的设计，机身蒙皮和加强条通常由板件生料一体加工成形。



F-104翼根处有13块腹板转成的5根翼梁与机身侧边连接

超音速飞机结构

　　伴随着超音速飞行而来的是因空气摩擦产生高热所导致的机体结构强度退化问题，首先当温度达到100摄氏度时，轻合金的静力强度（static strength）会大幅度衰退；其次在120摄氏度的环境下待满100小时后，轻合金抵抗潜变（creep）的能力会大幅度降低。在飞机超音速飞行时间很短暂，外蒙皮产生的热还来不及传到内部主结构时，这些都不是问题，一旦需要长时间的超音速飞行，为了防止因高热使结构失去强度，飞机的结构设计就要有所改变。

　　为了让机体拥有足够的强度和刚性（rigidity）又不至于超重，解决方法之一是使用蜂窝三明治结构。1956年美国第一架超音速轰炸机，通用动力公司的（General Dynamics）B-58“盗贼”（Hustler）就大量使用了这种结构来解决超音速摩擦热问题。B-58能持续超音速飞行两小时以上，最高飞行速度将近2马赫，此时部分蒙皮的温度超过摄氏120度。

　　B-58蜂窝三明治结构的外层是厚度仅有0.381毫米的高强度不锈钢蒙皮，内层夹心则是轻质六角形铝薄片蜂窝，使用区域占了机翼面积的90%，机体面积的80%。蜂窝蒙皮的结构重量轻，如此大面积的使用下，只占了全机最大起飞重量的16.5%，并且刚性足，即使到260摄氏度也依然能够维持设计的强度。不过相对而言，蜂窝蒙皮的制造成本就很贵，每平方英尺约需1,200美元，因此B-58的机体造价比同重量的金子还贵。装备部队后，三明治结构的外层蒙皮很容易因为维修或腐蚀产生损伤，修理耗时而且需要在高温下加压胶合，产生诸多困扰，导致B-58在1969年就提早退役了。




正在铺设蜂窝三明治蒙皮的B-58





B-58的蜂窝三明治蒙皮

　　著名的SR-71“黑鸟”（Blackbird）3倍音速高空战略侦察机，为了适应高速飞行时机身局部超过500摄氏度的高温而大量使用了耐热钛合金，比例高达93%，在主翼上还开有许多为应付热涨冷缩的细长沟纹，此外全机也沿用了U-2的黑色涂装，因为黑色是最佳的辐射散热颜色。SR-71采取无尾三角翼构型，加上翼根前缘两侧延伸的边条，形成极佳的升力体，而这种设计也成为后战斗机上屡见不鲜的机身/机翼融合体（blended-wing-body）的滥觞。



大量采用钛合金制造的SR-71“黑鸟”



复合材料结构

　　为了延长飞机结构的疲劳寿命，提升飞机的性能，选用抗疲劳性更好的新材料是必然趋势。20世纪60年代开始，飞机上曾选用的替代材料包括合金钢、钛合金…等，但这些材料的重量重、施工困难，不符合飞机工业轻薄的需求，除非必要不会轻易选用。到了20世纪80年代，飞机结构材料的发展走向了先进复合材料。

　　采用复合材料的最主要原因是减重，增强飞机的性能，其次是抵抗疲劳和腐蚀的能力更好，可以延长飞机的寿命，现在则又因为能满足隐身的需要而成为热门材料。先进复合材料的比强度（单位重量的强度）、比劲度都比传统金属要好，根据经验在强度相同的条件下，采用复合材料可以较铝合金节省约30%的重量。复合材料耐热耐腐蚀，有极好的抗疲劳性，结构疲劳寿命比传统的铝合金强上好几倍，又可以让雷达波穿透，降低飞机的雷达反射面积，因此成为新型飞机不可或缺的使用材料之一，不过飞机结构设计并没有因此而有任何的改变。



波音787的复合材料机身仍采用了传统的隔框纵梁结构，而且还是铆接成型

　　最典型的例子就是全世界最先服役的第四代战斗机JAS-39“鹰狮”，这架于1996年6月进入瑞典空军服役的先进战斗机机翼全部使用碳纤维复合材料，但结构仍然是传统的多翼梁、翼肋、蒙皮设计，而且相互间的接合方式并不是胶结，仍然是传统的金属固定件铆接，由此可清楚看见复合材料对飞机结构的设计方式几乎没有什么影响。

未来发展

　　为了降低飞机的寿期成本（life time cost），目前飞机工业正在发展智能结构（smart structure），结合了微电子技术、先进的飞机设计概念与复合材料的制程技术，把微型传感器、微处理器、光纤、压电材料植入飞机的复合材料蒙皮和承载结构中，让它能感受外界的声、温、压、电、磁……等的变化并做出反应。例如美国提出的一种“灵敏机翼”概念，通过密布于机翼蒙皮上的传感器，感觉翼面上各部位的压力，然后把数据传送给计算器，经过计算后控制安装在机翼内的致动器，不断改变机翼上下表面的曲率，让它根据飞机的速度、流场的变化，自动改变翼型，以降低飞行阻力。

　　另外还有一种智能结构是在飞机的机翼、控制面、机身...等位置安装传感器，实时（real time）监测飞机在服役期间内结构是否由于过载（overload）、疲劳、腐蚀……等原因，产生疲劳裂纹或初期损伤，使维修人员能在第一时间内予以修复，避免因疏失或未及时发现损伤导致后续巨大的损失，并增进飞行安全。

　　随着先进复合材料在飞机结构上的应用越来越广泛，智能结构未来更进一步的发展是自动修复，飞机出厂时复合材料结构内层安置整排的小型光纤（fiber-optic）感应器并预置化学修补材料，一旦结构发生损伤，材料会自动释放，填补结构内层的孔洞或脱层，进一步免除了维修的工作，届时不但增加飞机结构的寿命，同时也能避免由于地面维修人员疏失所造成的飞行安全事件。





新型复合材料的自修复效果

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chukefu461

非常详尽的飞机结构发展史！很喜欢这种跟动手相关的知识介绍，为楼主点赞！

可以看到虽然材料在不断突破，但基本架构却还是保持在原先的肋、梁之类的模式；早期飞机用的直接上桁架也是无奈之举（毕竟发动机不行……）；其实结构这玩意儿的可设计性和翼型也有一拼。工程界号称“为减轻飞机每一克重量而奋斗”，记得好像说飞机一克重量就等于一克黄金，可见结构设计也是一项非常值得研究的活儿啊！

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