【流体力学微教材】被人们遗忘了的多层翼飞机

1903年12月17日，美国莱特兄弟（如图1所示）借助于英国空气动力学家凯利（如图2所示）的理论和德国滑翔飞行家李林达尔（如图3所示）的滑翔飞行数据，自行制造了人类史上第一架带动力的飞机（如图1所示，双层翼、静不稳定飞机），并成功实现了飞行。尽管这架飞机飞行的时间不到一分钟（飞行速度48km/h，飞行距离260m），但是后人给了它高度的评价——称其为人类开创了航空新纪元。经过以后100多年的努力，人类不仅掌握了飞行的奥妙，而且克服了各种技术难关，研制出各种不同用处的飞机。

图1 威尔伯·莱特Wilbur Wright （1867～1912年，左）和奥维尔·莱特Orville Wright （1871～1948年 ，右）与他们发明的飞行者一号飞机。

乔治·凯利对鸟类飞行原理进行了大量的研究，通过对鸟翼面积、鸟的体重和飞行速度的观察，估算出速度、翼面积和升力之间的关系，提出人造飞机应该将推进动力和升力面分开考虑。李林达尔制造了多架单翼或双翼的固定翼滑翔机，并在柏林附近试飞2000多次，积累了丰富的资料，虽然其最终未能实现动力飞行，但他所积累的大量宝贵的飞行数据，为日后莱特兄弟实现动力飞行提供了许多宝贵的经验。

早期飞机速度比较小，所以遇到的第一难题是升力不足。怎么能够产生一个大的升力使飞机飞起来，这是早期设计和制造飞机的关键。由于飞机气动力正比于飞行速度的平方，所以当飞行速度小时，在同样机翼面积下产生的空气动力也小，但是飞机重量不能减小，因此就采取了增大机翼面积的措施，但考虑到机翼结构、强度、材料等方面的限制，早期飞机就出现了两层机翼，甚至三层机翼的布局。同时因飞行速度比较小，空气阻力相比升力而言没有凸显出来。

  图2 英国空气动力学家乔治·凯利

(George Kelly，1773～1857年)

图3  德国滑翔家李林达尔

（Otto Lilienthal，1848～1896年)

莱特兄弟发明飞机以后数年间，并未很快应用于军事领域。除了少数思维敏锐的先驱者一直在坚持不懈地进行各种尝试外，对于这种将在今后百年间改变人类历史的机械，多数国家的表现麻木。直到1911年，在意大利与利比亚的战争中，根据意大利制空理论提出者朱利奥·杜黑Giulio Douhet（1869.5.30～1930.2.15，如图4所示）的设想，意大利军方首次将飞机作为军用装备投入使用，1911年11月1日，朱利奥•朱多蒂少尉使用4枚2公斤炸弹轰炸了利比亚阵地，这是航空史第一次次空袭。但因人们的传统惯性思维，除意大利外的其它国家并未对飞机引起重视。随着1914年8月第一次世界大战爆发，飞机的用处彻底发生了改变。

图4  意大利制空理论提出者朱利奥·杜黑

（Giulio Douhet，1869～1930）

一战开始之初，各国都只有少数简陋的飞机装备部队。由于军方的偏见，错过了军机发展的时机，这时装备部队的只是一些具有辅助军事用途的非作战飞机，只能完成有限的功能，如近距侦察等。频繁的侦察导致空中遭遇的次数的增多，飞行员们不满足于只是在空中挥挥拳头，尽其所能将各种攻击性武器搬上飞机，拉开了大规模空中作战的序幕。随着时间的推移，各国航空兵部队装备、技战术的发展，机枪取代了早期飞机上那些基极富个人色彩的“攻击武器”。但螺旋桨旋转桨面却成为机枪射击的一个重大障碍。当时的解决措施有两种，一是将机枪装在机翼上方，避开螺旋桨旋转桨面，如法国研制的纽波特11双翼战斗机就在上翼面上安装一挺纵向固定布置的机枪（如图5所示）；另一种是采用推进式螺旋桨布局，典型的如英国的维克斯F.B.5（如图6所示）。但是第一种措施不利于飞行员瞄准射击，第二种则由于布局固有缺陷而严重影响飞机性能。

图5  纽波特11双翼战斗机在上翼面上安装一挺纵向固定布置的机枪

图6  推进式螺旋桨布局的维克斯F.B.5

世界上第一种真正的战斗机是法国的莫拉纳•索尔尼埃L（如图7所示），该种飞机装备的机枪可通过由法国飞行员罗朗•加罗斯发明的“偏转片系统”穿过螺旋桨，即在螺旋桨叶片上加装钢板，将打到上面的弹头偏转出去，从而可在机身上安装固定同轴机枪，简化了飞行员的瞄准和操纵，使这种飞机成为公认的战斗机。利用这种装置，罗朗•加罗斯在1915年4月1日击落一架德国武装侦察机。后来1915年4月18日迫降被俘，德国人在研究了其座机上的“偏转片系统”后，发现缺点相当明显，加装偏转片后螺旋桨性能下降，同时偏转的弹头也有可能反弹回来击伤发动机。于是荷兰人安东尼•福克发明了“机枪射击协调器”（如图8所示），大大改善了飞机火力和安全性。协调器被装上了福克E.3战斗机（如图9所示），著名的“福克式的灾难”降临到协约国空军头上。

图7  莫拉纳•索尔尼埃L战斗机与偏转片系统

图8  安东尼·赫尔曼·杰拉德·福克（ANTHONY FOKKER，1890年4月6日～1939年12月23日）。荷兰著名的飞行员和歼击机设计师。

图9 福克E.3战斗机与机枪射击协调器

到1918年世界第一次大战结束的时候，典型的战斗机已和1914年开战之初的辅助军用飞机完全不同。在飞机总体气动、结构强度、发动机、飞机性能等方面都得到明显进步。譬如，1914年军用飞机发动机功率约73.5kW，包括直列式发动机（以德国为代表）和转缸式发动机（以法国为代表）两大类；推进方式主要包括前置螺旋桨拉进式和后置螺旋桨的推进式；速度大约110～120公里/时；升限3000～4000米。而1918年，一架典型的战斗机，发动机功率提高到161.7kW，以直列式发动机为主，转缸式发动机则逐渐退出航空舞台；采用拉进式螺旋桨布局；飞行速度提高到200公里/时，升限5000～6000米，装备具有射击协调器的机枪。

随着飞机性能的提高，各国军方迫切增加轰炸类机种对敌开展纵深目标的打击。于是1915年，俄罗斯诞生了一架4发大型双翼飞机，这就是后来的轰炸机鼻祖——“伊利亚•穆罗梅茨”V，如图10所示。该机所用的“日光”8液冷发动机功率只有110.25kW，最大速度121公里/时，载弹量522公斤。由于该机具有载弹量大、续航时间长的优势，满足军方的轰炸需求。之后相继出现了意大利的卡普罗尼、英国的汉德利•佩奇（如图11所示）、德国的A.E.G哥达、弗里德里希沙芬等大型轰炸机，并很快用于对敌对国后方目标的攻击，这就是战略轰炸的起源。到了一战结束之时，轰炸机已经发展成为一个庞大而成轰炸熟的机种，性能明显提高。1918年的轰炸机已经开始有了轻型和重型，发动机通常为2～4台直列式液冷发动机（个别为气冷式发动机）；载弹量为500公斤～3000公斤以上。如英国的汉德利•佩奇V/1500轰炸机，载弹量达到惊人的3402公斤）；速度约120～190公里/时；升限3000米以上（德国的哥达G.V达到6500米，超过了当时的典型战斗机。

图10   “伊利亚•穆罗梅茨”V轰炸机  

图11  汉德利•佩奇V/1500轰炸机

1915年12月5日，第一种专用的对地攻击机容克JI在德国容克公司问世（比轰炸机稍晚些），该飞机也是最早的全金属飞机。后来容克公司又发展了更先进的CL.I～CL.IV型攻击机。如1918年投产的CL.I（如图12所示），由JI的双翼改为下单翼布局，采用132.3kW直列式液冷发动机，速度提高到161公里/时，升限达到6000米，装备3挺机枪。这在当时是相当高的火力配置。

图12  容克式（容克JI攻击机和CL.I攻击机）

图13  典型的双层翼布局

早期飞机速度比较小，所以遇到的第一难题是升力不足。同时由于木材结构的特点，翼展不能太大，因此怎么能够产生一个大的升力使飞机升起来，就成为当时飞机设计和制造者的关键技术。美国天文学家、飞行先驱兰利（Langley , Samuel Pierpont，1834～1906年，如图14所示）仔细研究滑翔机的空气动力学原理，分析了鸟类如何轻驾双翼而翱翔，他所提出的升力计算公式沿用至今。

图14.  美国科学家兰利与他研制的滑翔机

（Langley , Samuel Pierpont，1834～1906年）

由于飞机气动力正比于飞行速度的平方和机翼面积，所以当飞行速度小时，在同样机翼面积下产生的空气动力也小，但是飞机重量不能减小，因此就采取了增大机翼面积的措施，但受到机翼结构和材料（早期以木材为主）方面的限制（翼展不能太大，木材翼容易折断），早期飞机就出现了两层机翼，甚至三层机翼或多层翼的布局。同时因飞行速度比较低，空气阻力相比升力而言没有凸显出来。多层翼布局是解决当时飞行速度不高、材料受限、较大重量的较好的折中方案，显然这样的参数组合没有鸟的合理，因为鸟没有双翼的。多层翼的缺点是：其一机翼结构复杂，制造难度大；其二飞行阻力大，消耗额外功率；其三在同样的动力条件下，飞行速度很难提高。尽管如此，当时人们还是研制了不少多层翼机，因为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。

1、二翼布局战斗机

航空史上不乏这样的例子：一种性能出众的发动机常常可造就一代名机。在第一次世界大战期间，斯帕德式战斗机就安装有足以令其荣耀的名牌发动机“依斯帕诺”。1915年7月，西班牙新型的水冷V形八气缸发动机“依斯帕诺·西扎”问世，当时一度被人认为是“世界上最好的航空发动机”。这种阻力很小的水冷发动机功重比（功率／重量之比）达13．5，创造出一代全新的法国战斗机（如图15所示）。该飞机有一个尾部收缩的狭长形机身，装有一对矩形平面无上反角的双层机翼，翼间安排了坚固的支柱与张线。机头的方形发动机罩壳四周修圆，并且开有许多散热缝隙。一条排气总管横在机身侧面，座舱是敞开式的，螺旋桨为木质两叶形式。

图15  法国斯帕德XIII(SPAD.13)单座单发双翼战斗机

德国“信天翁”D战斗机（如图16所示）采用梅赛德斯D.Ⅲa发动机的高压缩比改进型和阿尔巴罗特公司标志性的流线型机身，成为当时（1917年）德国著名的战机。该飞机的最大特征是有一个纺锤般的流线形木制机身，这种硬壳构造的机身比强度高，中弹后生存性好，且不难制造。“信天翁”D成为世界上最早成批生产的采用硬壳构造的飞机。由于一台直列形气缸水冷发动机深埋在机头内，故发动机前部安装有一个很粗大的半卵形桨毂罩，发动机的水冷却器被巧妙地铺装在机翼表面，迎风阻力被减至最小程度。该机拥有两对翼梢后掠的仿鸟翅形状的双层机翼，平尾呈圆板状。

图16  德国“信天翁”D战斗机（1917年）

福克D.VII战斗机是德国单发单座双翼战斗机（如图17所示）。一战时，德国飞机设计师安东尼·福克发明了使用凸轮的射击同步协调器。这种装置可依靠螺旋桨的转动来控制机枪的射击，当枪口指向桨叶间隙时子弹射出，而枪口对准桨叶时射击停止。从1915年秋到1916年初，德国的很多福克式飞机都装备了这种射击同步协调器，在作战中发挥了很大作用，击落击伤了大量还没有装备这种设备的协约国飞机。D.VII型采用熔焊钢管机身框架，悬梁机翼等是福克引以自豪的设计，轻松获胜。自1918年5月装备第一战斗机联队的福克D.VII首次出现在前线后，这种飞机就被公认为参战双方最好的战斗/侦察机，号称能将优秀飞行员变成王牌飞行员，并为随后十年的所有新手们订下了王牌飞行员标准。

图17  德国福克D.VII战斗机

索普维斯“骆驼”战斗机（SopwithCamel，如图18所示）是英国索普维斯飞机公司在第一次世界大战期间设计的一系列战斗机中最著名的机型（1917年），它装有普通的双层机翼，机头处气缸旋转的“克拉盖特”空冷星形活塞发动机却被罩上一副用来减阻的明亮的金属薄壳整流罩。由于上层机翼后缘中央开了缺口，方便了飞行员向上观察。“骆驼”飞机在其发动机的上部并列安装两挺机枪，当然，这时的飞机都已采用了射击协调器。由于机枪上方各罩有一个凸起的鼓包，如同两只驼峰，所以飞机取名“骆驼“。

图18  英国的索普维斯“骆驼”战斗机（1917年）

2、三翼布局战斗机（德国福克Dr.I 三翼战斗机）

德国福克飞机公司创办者、荷兰人安东尼·福克在一战期间对战斗机的三种不同机翼布局都有经典之作，令协约国一度束手无策的福克单翼机、一战后期最优秀机型之一的福克D.VII 双翼机，以及造就“红男爵”的福克Dr.I 三翼机。

德国王牌飞行员曼弗雷德·阿尔布雷希特·冯·里希特霍芬（Manfred Albrecht Freiherr von Richthofen，1892.5.2—1918.4.21，如图19所示），在第一次世界大战期间是击落最多敌机的王牌飞行员，共击落80架敌机之多,他驾驶着那架使其得名的“红男爵”大红色阿尔巴特罗斯三翼战斗机席卷整个西线战场，像一团熊熊燃烧的火焰，给敌人带来痛苦和恐慌，他表现出的巨大魅力使其成为人类空战史上最负盛名的空中英雄之一，他被德国公众称为红色飞行员(如图20所示)，而被英国宣传机器中称为“红男爵”。

图19  曼弗雷德·冯·里奇特霍芬

（Manfred Albrecht Freiherrvon Richthofen，1892～1918. 绰号“红男爵”）

图20  德国福克Dr.I红色三翼战斗机

福克Dr.I 三翼战斗机采用了翼展相对较窄的三层机翼布局，具有极好的机动飞行性能，最适宜于与敌机进行近距离格斗，所以获得了许多艺高胆大的尖子飞行员的青睐。布局几何参数是：上层翼展长度 7.19 m；中层翼展长度6.22 m，下层翼展长度5.63 m；上层翼弦长1.16 m；下层翼弦长0.97 m；翼间距0.89 m；机翼面积18.66m2；机身长度5.77 m；机身高度 2.95 m；空机重量405kg，最大起飞重量584 kg。发动机1台 9缸卧式星形发动机（82 kW）；零升力阻力系数0.0323；展弦比4.04。最高速度在海平面速度185公里每小时，失速速度为72 km/h（45 mph）；航程：300 km；实用升限6,095 m；爬升率5.7 m/s；升阻比8.0。

图21  德国福克Dr.I三翼战斗机设计图示

3、四翼机布局

1918年，德国军方打算采购一款新型战斗机。纳格罗工厂找来一架“信天翁”D.V双翼机，在原厂工程师的帮忙下对其改头换面。原有的上层机翼被抬高，机身上安装了一对新机翼，这三层串联起来的机翼翼展基本相同。这还不算，在机轮后方又加了一块贴近地面的短翼，单独固定在机身下。定名为纳格罗D.I的四翼机，如图22所示。

图22  纳格罗D.I四翼机

英国阿姆斯壮·维特沃斯飞机公司的首席设计师的弗雷德里克·库尔霍芬，曾将四层翼展相等的机翼按阶梯状排列，用4条支柱和许多张线固定在一起。机头安装一台法国的克勒格特9Z发动机，紧接着就是前座舱。这让飞行员有开阔的前向视野，但后向视野就被机翼遮住大半，观察员兼射击手则坐在机翼后方。之后，他在原型机的基础上改进成了F.K.10，如图23所示。

图23  带有缺陷的F.K.10没能获得参战机会

1915年英国比灵公司就专门针对德国飞艇设计了大型战机，破天荒地采用四层大机翼，配上两台66千瓦的发动机。除了机身内的两名飞行员，还配有一名射手在上层机翼间的隔舱内操纵机枪。之后，他们又设计了体形更大的P.B.31E“夜鹰”，不仅四层机翼加宽，还换上两台功率更大的安扎尼发动机。按照设计，搭载3到5人的P.B.31E可持续飞行18个小时，能够整夜沿海岸线巡逻，用强大的火力猎杀德国飞艇，如图24所示。

图24  四层机翼的P.B.31E飞机和萨维杰夫四翼机萨维杰夫四翼机

四、五翼机

福克将V.6原型机（如图25所示）进行了大刀阔斧的修改，把原有的三层机翼移到机轮之前，架设在机头发动机的散热罩上。他又在飞行员座舱之后加装一组双层机翼，翼展比前面的主翼略短，作为升降舵来使用，这就构成了一种前所未有的“三加二”式五翼机！福克将其定型为V.8，并沿用V.6的一台梅赛德斯D.II发动机。

图25  德国福克V.8五翼机

五、七翼机

美国人赫伯特·约翰斯在纽约成立了“美国多翼机”公司。这家公司唯一的产品就是一架大型多翼机（如图26所示），看上去像是用双翼机和三翼机拼接而成的。在加长的机身上，前后各有一组双层机翼还不算，中间又塞进了一组翼展更长并带有大片副翼的三层机翼。该机采用三台“自由”式发动机为动力，一台安装在机头位置，另两台安装在中间机翼左右两侧向后推进。

图26  美国研发的七翼机

六、九翼机

卡普罗尼想一步到位地搞出一种可乘坐100人并飞越大西洋直抵纽约的远程水上飞机，定型为Ca.60，如图27所示。该飞机全都带有副翼，以一大堆支柱、撑杆和张线拼装在一起，但中间一组的安装位置比两端的要低，下面还加装了形似救生艇的浮体，在两侧支撑着水面以防止机身侧翻，尾部机翼后方装有方向舵和升降舵。用上8台功率各为298千瓦的美国产“自由”V12型发动机，其中在头部机翼前方安装3台拉进式，后方安装一台推进式，而尾部机翼处就相应安装3台推进式和一台拉进式。

图27  停泊在湖面上的Ca.60客机