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顾诵芬院士谈百年飞行

2022-08-29   中国航空新闻网

    自1903年12月17日美国莱特兄弟实现飞机飞行以来,人类飞行的历史已百年有余。2003年,在人类飞机飞行100周年之际,《百年飞行》(珍藏版)出版,并邀请中国科学院学部委员、中国工程院院士顾诵芬作序,现作摘编转载,再次回顾世界百年飞行的历史,以期广大读者收获新思考、新感悟。

    历史进程

    1903年

    1903年12月17日,美国莱特兄弟将自制的木、布、钢管结构355千克重的飞机,用一台8.8千瓦的活塞发动机作动力,利用滑轨起飞,第一次虽仅飞了12秒,距离36.5米,但开创了现代航空的新纪元。当人们要奥·莱特发表对航空前景的预测时,他说:“回答不了这个问题,但我可以保证航空的未来是壮阔辉煌的。”

    第一次世界大战

    在此11年以后,爆发了第一次世界大战。由于高度、速度上的优势,飞机很快被用于战争。先从侦察开始,进而发展到空袭轰炸。为了反空中侦察和空袭,只能用己方的飞机驱逐对方的飞机,于是出现了空战。空战的发生促进了作战飞机的发展,到第一次大战结束,交战双方竟生产了20多万架飞机。

    战争结束后,飞机一下子转不到民用,开始用作表演和竞赛,后来开始用作邮递,载客作航班运营还是少数。但飞机的发展仍向着它的优势方向前进,即追求速度、高速、航程。同时,为了适应商用,还要增大装载能力。为了实现这个目标,世界各航空大国加紧了对发展航空新技术进行有组织的研究。于是用铝合金结构代替了传统的布、木、钢结构,这样就出现了无外支撑的悬臂翼、半硬壳机身与可收放的起落架。通过大尺寸风洞的模型和全尺寸实物实验,使飞机的外形阻力大幅度下降,大大提高了飞机的功率。无线电技术的发展,极大地改善了飞机的航行安全。

    20世纪30年代中

    美国研制出了DC-3型全金属客机,可载客28人,航程达2000千米。由于飞机的可靠、安全和使用方便,从此开创了民航定期班机运输的新时代。DC-3飞机行踪遍及全世界,第二次大战时成为盟军的基本运输工具。从1935年到1947年,共生产了10654架,至今有些地区还在使用它。

    第二次世界大战

    第二次世界大战的爆发,又极大地促进了作战飞机的发展。但当螺旋桨战斗机最大速度达到700千米/小时,很难再提高。一方面螺旋桨的能力已用到了极限,另一方面飞机已进入当时空气动力学的难点——跨声速区。首先遇到的困难是飞机到了这个速度发生自动俯冲改不出来。在战争末期,德国首先用喷气推进提高了战斗机的速度,但因燃料消耗高,留空时间短而未能广泛应用。

    第二次大战后,美、苏、英等国对飞机的发展并没有停止,靠他们雄厚的研究设施和技术力量,终于突破了高速空气动力学和喷气推进技术。终于在1947年10月,有人驾驶的X-1型研究飞机首次突破了音障。自此,航空喷气发动机成为了战斗机的主要动力。1950年-1953年的朝鲜战争中,出现了大规模的喷气式战斗机的空战。20世纪50年代中,战斗机的最大速度已达到了2倍声速,到60年代则达到了3倍声速。战斗机的升限也从1万米达到了2万米以上。

    在民用航空方面,也由于应用了喷气发动机大大提高了飞行速度,成为洲际旅行首选的交通工具。美国波音707大型喷气客机投入航班运行以来,大型喷气运输机已广泛用于全世界。

    民机的发展并没有停止,20世纪60年代,英、法、苏相继发展了2倍声速的超声速客机。美国以及欧洲空中客车集团则相继发展了更舒适、更经济的宽体干线客机。

    在军机方面,自1964年-1973年越南战争后,不再往高空高速而是向提高机动性,即提高飞机的可用迎角上努力。随着自动控制技术的发展,可以利用计算机控制来补偿飞机气动力不足,使飞机有良好的飞行品质。

    为了使战斗机能主宰天空,现在进一步发展集隐身、超声速机动和智能化电子系统于一体的先进战斗机,同时还在发展利用网络化和智能化技术于一体的无人作战飞机。这些技术的发展,无疑也能用于民机,使之运行更安全、更有效。

    百年来飞机的发展,使人们清楚地看到航空成为人们生活的必须,同时从1991年及1999年的两场局部战争看,没有自己的作战飞机就没有国家的安全,我们必须发展自己的航空事业。

    “飞机的发展是螺旋式的上升”

    百年来的航空发展是辉煌的,在新世纪将会更加辉煌。要使飞机能更好地为人类服务,我们必须不断总结经验,有所发现、有所发明、有所创造和有所前进。

    飞机的发展是螺旋式的上升,因为飞机是多学科技术的综合。开始认为是好的,因某一专业技术达不到而放弃,但过一段时间这个技术突破后,整个飞机技术就又登上了一个新的台阶。

    如莱特兄弟第一架飞机就是鸭式,鸭式好处是安定面和升力面都产生升力,但困难是难于解决鸭翼的不安定问题。因此,到了1914年后,谁都不用鸭式了,直到20世纪70年代主动控制技术成熟后,鸭式布局又被广泛用于第三代战斗机上。又如前掠翼布局,因为它也能提高临界M数,而且能用大迎角避免翼尖失速,早在1944年就被德国人所采用,可是由于机翼的气动弹性发散问题不好解决而搁置下来。直到20世纪80年代,由于复合材料铺层得当,可以控制机翼变形方向,美国首先研制了试验机X-29。到了90年代,俄罗斯苏霍伊设计局第五代战斗机的验证机C-37的飞行表演让人们惊讶。还有一个例子,早在20世纪80年代中,美国总统里根提出了要搞“东方快车”,从纽约到东京空中只需2小时。这无疑是个诱人的目标。于是美国开始发展水平起降、一级入轨的空天飞机(NASA X-30)。经过10多年的努力,由于技术和经济的原因,不得不停下来。

    在当时德国人也捡起了1964年桑格尔教授的大飞机背小飞机的二级入轨方案,也在研究如何用民航机场研制水平起降多次重复使用的高超声速载机。当时英国、日本、法国也有各种方案,但是都没有弄起来,主要是动力装置和耐热结构的技术解决不了,花费大、周期长,可是现在美国在夺取空间制高点的战略中,强调要能快速进入空间,于是又想起要发展水平起降的空天飞机了。随着现在技术的发展,有可能在突破推进技术后,真正做出空天飞机来。

    看看对人类百年飞行史的回顾,再想想当时的得失,也许有可能找出新的思路来,这就是回顾历史的重要性。

    自1903年12月17日美国莱特兄弟实现飞机飞行以来,人类飞行的历史已百年有余。2003年,在人类飞机飞行100周年之际,《百年飞行》(珍藏版)出版,并邀请中国科学院学部委员、中国工程院院士顾诵芬作序,现作摘编转载,再次回顾世界百年飞行的历史,以期广大读者收获新思考、新感悟。

顾诵芬
中国科学院院士
中国工程院院士
飞机空气动力学专家