航空史话：介绍人类飞行器的发展历史

铝合金的发明!航空材料对飞机性能的影响很大，材料技术的不断进步是航空发展历程重要的组成部分。

20世纪头20年，德、法等国已经设计出为数不多的几架铝合金飞机。

由于在气动布局上没有大的突破，所以性能没有什么提高，而且还增大了质量。

但是，随着对飞机性能要求的不断提高，飞机速度的提高，载重的增大，机动性增强，木质材料的缺点越来越多地暴露出来，诸如结构脆弱、安全性差等，木质结构走到了尽头。

人们也逐渐意识到全金属飞机的安全性大大优于木质飞机。

1906年，法国工程师维尔姆在一次实验中意外地发现含4%的铜、0.5%的镁、0.5%的锰以及少量硅、铁的铝─铜─镁合金，在急速冷却之后，强度和硬度均会有所增加。

这就是最早出现的铝合金──杜拉铝。

杜拉铝问世以后，人们一直把提高铝合金的抗拉强度作为研究重点。

从20年代开始，美国人通过在合金中增加硅和镁的含量，先后研究出2014铝合金和性能更好的2024铝──超级杜拉铝合金，抗拉强度显著提高。

这种铝合金的研制成功，为飞机材料开辟了光明的前景。

20世纪30年代以后，铝合金逐渐取代早期的木质材料成为飞机材料的主流。

后来，人们研制出了更多的航空用铝合金材料。

至今，铝合金仍是飞机的主要结构材料。

全金属飞机的发明全金属飞机最早产生于军用飞机领域，世界上第一家全金属飞机是德国飞机设计师容克斯设计的J.1“锡驴”（Blechesel），这种采用铝合金蒙皮和防护装甲的双翼机，还是最早的攻击机，机上安有机枪，载有少量炸弹，可低空对地面目标进行扫射轰炸。

1915年12月12日，J.1首次试飞，标志着全金属飞机的诞生，为飞机性能的迅速提高开辟了道路，也标志着飞机发展进入一个新的时代。

全金属民用飞机的研制则较晚，出现在一战结束之后。

1925年，福特汽车公司的飞机制造部推出了全金属、三发动机的福特型客机。

但是，当时的全金属飞机在性能上并无优势，而且造价较高，所以，20年代末30年代初，美国各航空公司的飞机仍以木质飞机为主。

但木制飞机的安全性较差逐渐引导全金属飞机进入飞机发展的主流。

1931年3月31日，一架美国环球航空公司的福克型客机在堪萨斯州坠毁。

虽然这样的的事故当时经常发生，但由于遇难者中有一位名闻名全美的橄榄球教练，因而引起了举国震动。

全国上下一致指责环球航空公司和它的木质客机，从根本上动摇了公众对木质飞机的信心。

于是，飞机制造商们也加快了研制新型全金属客机的步伐。

20世纪30年代，比较著名的全金属客机主要是波音公司的波音247和道格拉斯公司的DC系列涡轮增压器──提高发动机性能的大发明喷气发动机诞生以前，所有的飞机都采用活塞发动机。

活塞发动机结构复杂、质量大、功率低、维护困难，随着飞机对发动机要求的不断提高，发动机本身就出现了变革的趋势。

其中，涡轮增压器的发明大大提高了发动机的性能。

1870年以后，蒸汽轮机发明，即用蒸汽驱动涡轮；同时，内燃机也出现了，二者结合，诞生了新的涡轮机──燃气轮机。

燃气轮机可以通过燃烧气体直接驱动轮机旋转，具有结构简单、体积小、质量轻、转速高的特点。

在此基础上，一种特殊的燃气轮机──活塞发动机涡轮增压器发展起来。

1905年，瑞士工程师比希首次提出涡轮增压的概念。

1918年，美国通用公司工程师莫斯开始设计和研制涡轮增压器，并取得成功。

我们知道，随着高度的增加，大气密度和含氧量都会降低。

发动机要正常工作，汽缸内必须吸入足够的空气。

在发动机前面安装涡轮增压器，增压器旋转使空气在进入汽缸前压缩以提高空气的密度，这样汽缸可以在更高的压力下工作，从而改善发动机高空性能或提高起飞时发动机的功率，使得飞机在高空有了更好的表现。

此外，涡轮增压器的发展还促进了航空工业与涡轮技术的结合，为后来航空动力向喷气发动机的转变储备了一定的技术力量。

可收放起落架──大大降低飞行阻力人造飞行器都有离地升空的过程，而且大多数都需要着陆或回收。

对飞机而言，实现起飞着陆功能的装置主要就是起落架。

起落架可以在飞机停放、滑行、起飞、着陆、滑跑时用于支撑飞机重力，承受相应载荷。

所以，起落架其实就是飞机的“腿”。

早期飞机的起落架是固定的，当飞机在空中飞行时，起落架仍然暴露在机身外。

这在飞行中弊端很多，主要是空气阻力太大，降低了飞行速度，同时也会导致耗油量增加和航程缩短。

而且，一旦起落架在空中损坏，飞机就无法降落。

在第一次世界大战中，飞机的起落架很容易被击中，导致飞机无法降落而坠毁。

一战结束后，各国开始在飞机的起落架上大下功夫。

1920年，美国人在“戴顿─莱特”RB 型竞赛机上安装了能收放的起落架，从而大大提高了竞赛成绩。

这种可收放的起落架，被世界各国纷纷效仿。

“戴顿─莱特”飞机不仅是世界上第一架具有收放式起落架的飞机，而且还是世界上首次采用变弯度机翼的飞机。

飞机飞行时将起落架收到机翼或机身之内，以期获得良好的气动性能，飞机着陆时再将起落架放下来。

现代飞机不论是军用飞机还是民用飞机，它们的起落架绝大部分都是可以收放的，只有一小部分超轻型飞机仍然采用固定形式的起落架。

翼型研究──飞机研制渐渐成为科学机翼是各种固定翼航空器最重要的气动部件，它的发展对航空技术的进步有着巨大影响。

机翼研究首先涉及的就是翼型，翼型研究使飞机研制渐渐成为一门科学。

翼型对机翼升阻比特性有重要影响。

飞机诞生初期，翼型是模仿鸟的翅膀弯曲形状设计的，莱特兄弟、桑托斯?杜蒙的第一架飞机都是如此。

这种翼型虽然升力较大，但阻力也很大，升阻比较低。

20世纪20年代，德国哥廷根大学利用俄国科学家茹科夫斯基的理论翼型和德国科学家门克的薄翼理论，在大量试验基础上，设计出哥廷根225和387翼型。

此后，美国、英国、德国、前苏联都进行了系统的翼型发展。

其中，美国航空咨询委员会发展的NACA翼型系列影响最大。

20世纪30年代末开始，一批空气动力学家提出层流翼型设计方法。

与普通翼型相比，层流翼型最大厚度位置更靠后缘，前缘半径较小，上表面比较平坦，能使翼表面尽可能保持层流流动，减少摩擦阻力，提高临界马赫数。

层流翼型是翼型发展的重要里程碑。

这一概念得到各国科学家的高度重视。

后来层流翼型的设计方法不断改进，广泛用于高亚速飞机和超声速飞机。

60年代开始，所谓跨声速无激波翼型的研究兴起。

比较著名的是1962年英国人皮尔赛提出的“尖峰”翼型和1969年美国人科恩设计的超临界翼型。

变距螺旋桨──改善飞机的适应性早期的飞机都是靠螺旋桨桨叶在空气中旋转，不断把大量空气向后推去，从而产生向前的推进力。

螺旋桨旋转时，桨叶剖面弦与旋转平面的夹角称为桨叶安装角。

螺旋桨旋转一周，以桨叶安装角为导引向前推进的距离称为桨距。

螺旋桨分为定距和变距两大类。

木质螺旋桨一般都是定距的。

适合低速的桨叶安装角难以适应高速，反之，适合高速的安装角难以适应低速。

所以定距螺旋桨只能在选定的速度范围内效率较高。

为了解决这一矛盾，出现了变距螺旋桨，即通过控制装置改变螺旋桨的桨距。

事实上，最早提出变距螺旋桨思想的是英国航空先驱维纳姆。

1872年，他在航空学会的年终报告中，初步提出这一全新思想。

不过他的思想大大超越了时代，因此一直没有找到应用场合，逐渐被遗忘了。

一战时期，人们又开始意识到变距螺旋桨在提高发动机功率和自身效率方面具有很大的潜力。

但在金属螺旋桨问世之前，由于木制螺旋桨结构上的限制，使得变距螺旋桨还停留在理论上。

1923年金属螺旋桨进入实用阶段后，变距螺旋桨的需求日益迫切，传统定距螺旋桨已经无法同时满足起飞和巡航的要求。

1933年，自动变距螺旋桨首次在波音247运输机上得到应用，其性能明显改善。

变距螺旋桨，大大改善了飞机的适应性。

单翼机──历史地位逐步确立飞机的机翼是产生升力的主要部件，机翼升力与其面积成正比，面积越大，升力也越大。

但早期飞机的材料主要是木材，木质结构的机翼如果很大，很容易在飞行中折断。

于是，设计师们采用两副较小的机翼，安装在机身的上下两层，中间用立柱和金属线固定在一起。

早期飞机以双翼机居多，但双翼机的缺点很明显：一是结构复杂，给制造带来很大困难；二是阻力很大，消耗额外功率；三是速度很难提高。

此时虽然也出现过单翼机，但是人们普遍认为单翼机结构单薄，安全性和稳定性不如双翼机，驾驶起来比较困难。

20世纪二三十年代，随着铝合金应用于飞机材料，全金属飞机不断出现，一般都采用单翼结构。

在当时的航空竞赛中，全金属单翼机性能优势明显。

随后，单翼结构被引入战斗机的设计，在这方面德国和英国走在领先位置。

美国则是在客机和轰炸机等大型飞机上首先使用全金属单翼结构。

1933年后，苏联研制的战斗机都开始采用单翼布局。

20世纪30年代，客机、轰炸机、战斗机都实现了由木质双翼机向全金属单翼机的过渡。

第二次世界大战时，战场上已经几乎看不到双翼机的身影了。

就这样，单翼机的地位逐步确立起来。

航空仪表──飞行员的有力助手早期的飞机并没有专门设计的仪表，飞行员往往凭感官掌握飞机的方向、姿态、速度和发动机工作状态。

随着飞机性能的提高，人们发现许多有关飞机和发动机工作状态的信息是人的感官所来不及反应的。

飞行员一旦判断错误，就很可能发生飞行事故。

第一次世界大战中，飞机仪表有了很大发展。

1916年英国研制的SE.5型战斗机上已安装了3种专门的飞行仪表和4种发动机仪表。

1927年美国人林白驾机飞越大西洋时，飞机上除基本的飞行仪表和发动机仪表外，还安装了陀螺罗盘、倾斜和俯仰角指示器、转弯倾斜仪和时钟。

航空仪表的出现，成为了飞行员的有力助手。

20世纪30年代，专门的航空仪表相继试制成功。

空速表、高度表、陀螺地平仪、航向陀螺仪、升降速度表、转弯倾斜仪、无线电罗盘相继研制成功，发动机仪表也得到进一步完善。

二战以后，仪表技术的发展更为迅速，仪表的多功能化和机电综合化成为仪表发展的重要趋势，出现了指引地平仪、航道罗盘和大气数据计算机。

60年代以后，随着微电子技术和光电显示元件的发展，仪表数字化、小型化、综合化和智能化发展成为主流。

现在，在一些先进的民航机和军用飞机上，可以看到几块大型的显示器代替了以往的许多仪表，可以综合显示必要的数据和信息。

电子综合显示仪的出现，使飞机仪表的数量减少了，但功能和可靠性却增加了。

导航──指引空中航路的功臣飞机由于速度快、航程远，因此需要进行导航，即从一地准确地引导到另一地。

早期的飞机没有导航装置。

当需要进行较长距离的飞行时，飞行员往往依靠铁路、公路或易识别的地面物体辨认方向。

1910年，无线电装上飞机进行空地无线电通信。

第一次世界大战中，飞机开始装备中波电台和监听式测向器。

1932年无线电罗盘开始装机使用。

20世纪30年代，无线电导航开始用于飞机，这时主要是无线电罗盘和四航道无线电信标。

二战期间，无线电导航获得大发展。

1942年10月美国开始试验罗兰远距无线电导航系统，英国同时研制并使用了“奇”导航系统。