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第15章 喷气时代(1)

我刚到波音公司时,波音已经开始了B-47“同温层喷气”轰炸机项目的研究,这个项目大大超前于同时代的航空水平,看起来和科幻小说中的题材没什么两样。B-47是世界上第一架使用喷气发动机和后掠式机翼的大型飞机,它标志着航空工业史上的又一大跨越。当项目方案于1947年公布时,全球为之震惊。

有意思的是,这架为美国空军开发的战略轰炸机最初的设计方案采用了常规的平直机翼。在我加入波音公司前,波音更改了飞机的设计,采用了大角度后掠的狭长三角翼,外形看起来像箭,B-47也确实是波音射向未来的一支箭。

喷气时代就这样富有创造性地开始了。波音公司借着这一阵东风,站到了航空设计的前沿,并将这种领先的优势一直传承下来。也正是这款让人热血为之沸腾的后掠翼喷气式飞机,让我放弃了到道格拉斯公司的想法。对于一个年轻的航空工程师来说,波音公司无疑是最让人感到振奋的一个归宿。

波音公司当年迈出这跨越历史的第一步时,还有一个非常有趣的故事。1945年5月8日,第二次世界大战在欧洲宣告结束时,波音首席空气动力学家乔治·谢勒正在德国为美国政府对德国的航空技术进行调查分析。在位于德国福肯罗德(Volkenrode)的一家航空研究中心内,这支情报队伍截获了一些风洞试验数据,这些数据表明采用后掠式机翼能提高飞机的飞行速度。

真可谓恰逢其时。战争结束的时候,使飞机飞得更快的挑战,以及让人为之狂热的超越声速的可能性,已经成为航空界最为关注的问题。但是高速飞行领域还充满了未知。

第二次世界大战期间,许多螺旋桨飞机常因为进入自动俯冲状态而坠毁,当飞机的速度超过声速的70%时,飞机会进入难以解释的不稳定状态,只有极少数飞行员在这种状况下能使飞机顺利降落。事后,他们解释说飞机就像忽然被一种仿佛要将其摧毁的力量紧紧拽住了一样。他们称飞机进入自动俯冲状态后,由于驾驶杆被锁定,机头根本无法拉起。此外,还会出现操纵反效和其他一些无法解释的现象。

为了纪念恩斯特·马赫,科学家们将这些现象称为“马赫现象”。马赫这位来自奥地利的物理学家,是世界上提出测量在空气中运动物体的速度与声速之比值(译者注:即马赫数)的第一人。出版界和大众对这个“无名杀手”有不同的称呼,它的另一个名字是“声障”,如果飞机飞得太快的话,天空中这堵看不见的“墙”就会将它砸个稀巴烂。

究竟发生了什么?当飞机的速度接近声速时,气流在这种情况下由于速度上不去,逐渐累积并形成激波。我们称非弹性气流在高速下的这种性质为“压缩性”。

喷气式飞机采用后掠式机翼正是出于气体压缩性的考虑。使机翼成一定角度向后偏转能延缓气体压缩以及随之而来的“马赫现象”的形成,飞机因此可以在更高的速度巡航。

谢勒和其他美国技术情报人员在福肯罗德一口干枯的水井中,发现了德国人仓促丢弃的一些文件。谢勒浏览这些文件的时候,难掩兴奋之情。文件上的数据显示,后掠式机翼加涡轮发动机的模式将成为未来航空发展的方向。

这是一个大好的消息,因为活塞式飞机受螺旋桨的限制,速度无法提高。当飞机以高亚声速飞行的时候,螺旋桨翼尖已经面临着跨声速或超声速气流的考验了。此时螺旋桨的效率降低,因此,即使有更多动力也无法转换成更高的速度。而喷气发动机则不存在这样的限制。

1945年5月10日,谢勒给在西雅图工作的波音同事写了一封长达七页的信,信中详细记述了这些发现并提出了他的想法。之后,设计人员迅速更改了B-47飞机的设计,采用了后掠角为35°的后掠式机翼形式。同时,为使飞机在高速飞行时具有最高的效率,波音的工程师采用了薄翼型。

由于尚未弄清使喷气发动机与飞机融合的最佳方式,B-47的研究人员对多种动力布局方案进行了评估,其中一个方案是将发动机整个装在飞机机身之中。最终,B-47选用了将涡轮喷气发动机安装在短舱中,再借助吊架将短舱吊挂在机翼前缘下方的方案。每架B-47有6台发动机,每个机翼内侧有一个吊舱两台发动机,外侧则是一个吊舱一台发动机。

提出将喷气发动机安装在机翼之外而不是机翼或机身之内的方案,是波音公司在飞机设计领域取得的一项重大而重要的进步。再融合后掠式机翼,这款飞机的推出使波音公司站到了研制开发大型喷气式飞机的前沿。

B-47采用薄翼型也带来两个问题。首当其冲的就是允许机翼在飞行过程中振动和扭转的挠性问题。当飞行员利用副翼使飞机偏航的时候,外侧机翼将向与控制输入相反的方向扭转,波音公司最终通过用扰流板解决了这一问题。

扰流板是安装在机翼上方的一些板条,打开扰流板能降低机翼的升力。它们可用于帮助喷气式飞机减小飞行速度和下降,或是用于协助副翼使飞机偏航。

飞机起落架的收放位置则成了第二个挑战。由于机翼较薄,B-47的机翼并无多余空间可用于收放起落架,“同温层喷气”的设计师们于是提出将起落架装在机身中的设想。最终,B-47采用了自行车式的起落架,两个双轮起落架成一条直线分别安装在机腹和尾段下方。这种设计要求一个固定的高度,因此B-47在地面时的机头高度与起降过程中的高度是完全相同的。另外,B-47上还有一对安装在左右侧机翼下可收入内侧发动机短舱内的小起落架,用于防止这架轰炸机在停放时左右倾斜。

1947年12月17日,距莱特兄弟在基蒂霍克创下历史44年后,波音公司的XB-47飞机原型机进行了首飞。对我来说,这就像在科幻电影中看到的一幕。奥维尔·莱特当时尚在人世(他于次年逝世,享年76岁),记得当时我很想知道这位老人对“同温层喷气”会作何感想。B-47飞机标志着人类航空史上一次巨大的飞越,而它的这种象征意义远远超过了同时代其他所有的飞机。

有一家美国飞机制造厂商先于波音造出了美国历史上第一架喷气式后掠翼飞机,它就是位于加利福尼亚州的军用飞机制造商——北美航空,这家公司采用了在德国获取的德方在XP-86喷气式战斗机上所使用的技术。北美航空的这架飞机于1947年9月1日首飞,并衍生了在朝鲜战争期间扬名的F-86系列战斗机。

1947年10月14日,介于北美航空公司首架后掠翼飞机和波音的X-47首飞之间,查克·耶格尔驾驶贝尔X-1火箭飞机突破了声障。美国国家航空顾问委员会(NACA)——美国国家航空航天局(NASA)的前身——出于对超声速飞行的未知领域进行系统研究的考虑,不希望在试验中新增变数,所以查克·耶格尔此次试验的平台仍然采用了平直机翼的设计形式。同样是出于以上原因,亮黄色的X-1飞机上并没有突出的驾驶舱盖,而是将驾驶舱舷窗与机身轮廓光滑地融合为一体。

从1947年7月到12月,不到6个月的时间中,波音的“同温层巡航者”客机与XB-47轰炸机相继完成首飞。“同温层巡航者”飞机很快就能飞离地面,但XB-47飞机腾空前却需要在波音机场的长跑道花费一段时间进行加速。只见它拖着明亮的尾焰,轰鸣着腾空而起,朝东向喀斯喀特山区飞去,飞机很快便消失在视线之外。我不禁想到,波音这两款飞机代表了两个时代,眼前的这架是属于未来的。是的,我极度渴望在喷气式飞机领域工作,而不是军用领域,我要的是喷气式运输机。

此后,波音公司开始了更大、载弹量更高的B-52“同温层堡垒”轰炸机的研究工作,这是世界上第一架长航程、后掠翼式重型轰炸机,于1952年4月首飞(B-47飞机于1947年、B-52飞机于1952年首飞,这纯属巧合)。20世纪50年代末,“同温层堡垒”轰炸机开始陆续取代“同温层喷气”在战略空军司令部服役。波音共生产了744架B-52飞机,至今仍有近百架经现代化改造的B-52在美国空军服役。

我随时注意着发展的新动向,开始有了设计大型喷气式后掠翼飞机的初步设想。波音公司在民用客机领域多年来与“商业成功”隔岸相望,而那些军用项目无疑使波音公司对民机燃起了新的希望。

20世纪50年代初,我们这些波音公司的员工就意识到,如果一切发展顺利,我们将在近在眼前的“商业喷气时代”扮演重要的角色。但我相信无人能预知波音公司将在这一领域取得多大的成功,也没有人能想象得到我们的技术将在多大程度上改变世界。

转眼到了1952年,波音公司自筹资金对喷气式客机进行预研和定义,我凭借在“同温层巡航者”项目中全面负责气动设计工作的经历,赢得了领导该项目详细气动设计工作的机会。这就是波音的367-80型飞机,或简称Dash80,计划在1954年夏天首飞。

波音公司当时的掌舵者、曾从事律师工作的小威廉·艾伦,是一位名副其实的绅士,也是美国工业界富有远见卓识的领导者之一,艾伦在商业上树起了良好的声誉,在商业交易方面则坚持着最高的道德标准。

在对高级技术人员提供的信息进行分析的基础上,艾伦认为喷气式飞机将成为航空运输业未来发展的新选择,因此他决定对一切能帮助波音公司抓住这个未来目标的项目进行投资。

在那个时期,道格拉斯公司是全球民用客机研制领域当仁不让的领头羊。退一步说,这家位于加利福尼亚的公司是一个强大的竞争对手。艾伦做出的与道格拉斯公司正面竞争的决定无疑是大胆的,如果我们输了,这个决定将使我们陷入危险的境地之中。我们只有一次机会。

在董事会的支持下,艾伦调集了在当时可谓是一笔巨款的资金——1600万美元,用于支持公司自主开发的原型机的研制工作,并希望借助这一项目向世界表明,波音公司不仅能为空军生产喷气式轰炸机,同样能造出高品质的商用喷气式飞机。这架新的运输机将拥有与B-47和B-52飞机一样的35°后掠式机翼,但将采用全新的设计。

自项目起步阶段起,波音公司就明确了开发一款概念验证机而非生产型原型机的目标。这意味着我们无须操心Dash80取证的事情,这将使任务的复杂度大大降低,我们也获得了自由发挥的空间和边干边学的机会,这简直成了所有航空工程师梦寐以求的研究项目。

从“367-80”这个项目编号可知,尽管项目的出资方是波音而非美国空军,Dash80实际上还是在367型(C-97)项目的基础上开展的。尤其是Dash80飞机继承了C-97和“同温层巡航者”飞机的机身截面,但其机身要长于这两款有着圆乎乎的机头的螺旋桨飞机,因此Dash80飞机看起来显得更加细长,而机身上常见的折线也由Dash80飞机平滑的机身所取代。

1952年4月,B-52飞机成功首飞仅仅一周之后,Dash80项目正式启动。不到两周后,航空史上一个具有里程碑意义的时刻到来了:1952年5月2日,英国海外航空公司开始使用德·哈维兰DH106“彗星”喷气式客机提供伦敦经罗马、开罗、苏丹喀土穆、乌干达恩德培和赞比亚利文斯顿等地到约翰内斯堡的航班服务。

曾制造出第二次世界大战期间大名鼎鼎的“蚊”式战斗轰炸机的英国德·哈维兰飞机公司生产的“彗星”飞机机身圆滑,非常漂亮。遗憾的是,德·哈维兰的研究团队在求解“彗星”喷气客机这道方程式时并没有找到正确答案,“彗星”飞机上存在两个设计缺陷,我想急于向战后的美国市场推销客机的英国公司,在这些问题上并没有琢磨透。

首先,“彗星”飞机采用了角度有限的后掠式机翼。与包括波音的“同温层巡航者”在内的上一代活塞式飞机相比,“彗星”飞机在速度方面确实有优势,但是,Dash80飞机比它更快。作为比较,DC-7C飞机——道格拉斯公司最后一款螺旋桨客机——的巡航速度为每小时350英里,德·哈维兰“彗星”1的巡航速度为每小时450英里,波音的367-80飞机则是每小时550英里,而以Dash80为基础开发的波音707飞机的巡航速度甚至更高,达到了每小时600英里。

其次,“彗星”飞机的涡喷发动机装在机翼中。活塞式发动机时代的经验使所有大型喷气式飞机的设计师在起步时都犯了错误,波音公司也在此列。活塞式飞机的发动机通常与机翼同高,事实上,这些发动机与机翼是融为一体的,人们想当然地觉得喷气式飞机的发动机也应该采用同样的设计。这种不容置疑的假想导致德·哈维兰才华洋溢的工程师将“彗星”飞机的四台发动机装到了飞机的机翼中。

苏联人在投入使用的第二款商用喷气式飞机上也犯了同样的错误。双发的图-104飞机,在“铁幕”之后1956年首开以喷气式客机提供定期航班服务之先河,在设计上亦将发动机埋进了机翼翼根处。

采用这种设计方式存在一些问题。首先,维修人员够不着发动机内部部件,使维护工作难上加难;其次也是更要命的,一旦一台发动机发生故障,整架飞机都将陷入危险之中。

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