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1 世界航空史 -世界航空史

 

2 世界航空史 -正文

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  引言
  飛行的探索時期(20世紀以前)
   人類對飛行的最初探索
   氣球飛行成功
   飛艇的興哀
   對飛機的探索和試驗
  活塞發動機飛機時期(20世紀初至40年代中期)
   飛機飛行成功和初步進展
   飛機在第一次世界大戰中的應用
   飛機民用運輸的創建
   航空科學技術的進步
   第二次世界大戰中的軍用飛機
  噴氣飛機時期(40年代中期以來)
   噴氣飛機的誕生和突破音障
   噴氣軍用飛機的發展
   噴氣民航飛機的發展
   其他航空器的發展
   航空科學技術的新變革
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引 言


  航空是20世紀發展迅速、對人類社會影響巨大的科學技術領域之一。飛行是人類自古以來的理想。經過人類長期的探索和勇敢的嘗試,在18世紀產業革命的推動下,1783年法國蒙哥爾費兄弟的熱空氣氣球和J.-A.C.查理的氫氣氣球相繼升空成功,標誌著人類航空發展的第一次重大突破。比重小於空氣的飛行器作為空中交通工具還存在速度低的缺點,要在大氣層中實現高速飛行,還必須研究比重大於空氣的飛行器。1903年12月17日,美國萊特兄弟用自己製造的飛機,實現了人類首次持續的、有動力的、可操縱的飛行,開創了現代航空的新紀元。兩次世界大戰刺激了航空科學技術的發展,軍用飛機的性能不斷提高,使戰爭從平面向立體轉化。在兩次世界大戰之間發展起來的民用航空運輸事業,使飛機成為與經濟發展和人民生活息息相關的交通工具。第二次世界大戰以後,噴氣式飛機的出現,使飛機突破了音障,這是航空發展上的又一次重大突破。一批高性能的超音速軍用飛機投入使用,對現代軍事技術產生了重大的影響。經濟、安全、舒適的噴氣式客機成為民用航空運輸的主力,改變了現代交通運輸的結構。電子技術和新材料、新能源的開發,使航空科學技術正在孕育一場重大的變革。
  航空發展的歷史是一部人類以自己的聰明才智征服天空的歷史。航空是現代科學技術和現代工業的結晶,它的發展充分體現了科學技術的綜合作用。
  

飛行的探索時期


  

(20世紀以前)


  人類對飛行的最初探索  自古以來人類就懷有飛行理想,這種理想來自生產、生活和對自由飛行的嚮往。但在社會生產力低下的年代,這種理想始終不能實現,只能在神話和傳說(見飛行神話傳說)中寄託自己的渴望。
  中世紀歐洲不斷有人對飛行作過勇敢的嘗試,他們用羽毛作成翅膀,從塔上或高處跳下,試圖模仿鳥的飛行,結果往往以失敗而告終。在很長的一段時期內,人類對飛行的探索進展緩慢,文藝復興時期的L.達·芬奇科學地研究了飛行問題,但他的研究成果直到19世紀後期才為後人發現,對航空的發展未起到應有的作用。17世紀後期義大利的G.A.博雷利探討了人類肌肉與飛行的關係后,證明:「人類靠自己的體力作靈巧的飛行是絕對不可能的。」
  氣球飛行成功  中國早在五代時期(公元907~960年)就使用過原始的熱氣球──孔明燈(見中國古代飛行技藝)。歷史上還記錄過各種輕於空氣的飛行器的其他設想和嘗試,在西方,13世紀的R.培根曾提出用稀薄空氣或液體燃料充入薄壁金屬球使它在空氣中上升的想法。但首次製造成功載人氣球的是法國蒙哥爾費兄弟。他們於1783年6月4日進行了自己製作的熱氣球表演。1783年9月19日他們用一隻更大的熱氣球,載上羊、公雞和鴨各一隻,飛行8分鐘后安全降落。1783年10月15日F.P.羅齊埃乘熱空氣氣球上升到26米,飛行4.5分鐘。同年11月21日他和M.達爾朗德又乘熱空氣氣球作了一次自由飛行,在約1000米的高度上用25分鐘飛行了約12公里。這是人類乘航空器的第一次空中航行。
  蒙哥爾費的氣球(見彩圖)引起了法國科學院的注意。法國物理學家查理認識到對於提供升力來說,氫氣比熱空氣更有效,他用塗以橡膠的綢製成了氫氣球(稱查理氣球)。1783年8月27日,氫氣球在巴黎上升到約 915米,飄行了約25公里后降落。查理後來又製造了一隻更大的氣球,球下系以可載人的吊籃。1783年12月1日,他和一位同伴乘這隻氣球在空中飄行50公里,留空時間超過2小時。

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  氣球的出現激起了人們乘氣球飛行的熱情。1785年1月7日法國 J.-P.F.布朗夏爾和他的一個夥伴乘氫氣球從英國多佛飛越英吉利海峽到達法國,這是人類乘航空器首次飛越這個海峽。18世紀末到19世紀初,氣球主要用于軍事、體育運動和科學試驗。20世紀20年代后,出現了用氦氣代替氫氣作為浮升氣體的氦氣球,它比氫氣球安全,但價格昂貴。在現代,氣球主要用於高空探測。
  飛艇的興衰  氣球隨風飄流,不能控制前進方向。帶有動力且可操縱的氣球──飛艇是輕於空氣的飛行器合乎邏輯的發展結果。早期曾有人在氣球上裝帆、槳或翼片,但這些措施都未獲效果。最早的飛艇是法國H.吉法爾於1852年製成的蒸汽氣球。其氣囊形如雪茄,下懸吊艙,上裝蒸汽機,帶動3葉螺旋槳,並有方向舵。1852年 9月24日,吉法爾駕駛這艘飛艇由巴黎飛到特拉普斯,航程約28公里。速度約10公里每小時。早期的飛艇都是軟式或半硬式的。19世紀末鋁問世后,有人用鋁作骨架,用薄鋁板作氣囊外殼,製成了硬式飛艇,上面裝一台8.8千瓦(12馬力)的4汽缸汽油內燃機,於1897年11月3日升空飛行。1900年旅居法國的巴西人A.桑托·杜蒙因為駕駛自製的飛艇,在30分鐘內繞飛巴黎艾菲爾鐵塔而獲獎。
  在飛艇方面,德國的F.von齊伯林伯爵獲得最大成就。1894年他完成了硬式飛艇設計,1900年製成,LZ-1號飛艇,長128米,容積約11300立方米(圖1)。1909年齊伯林創設了德國航空運輸有限公司,1910年6月22日開始用LZ-7號齊伯林飛艇在法蘭克福、巴登和杜塞多夫之間作載客定期飛行,距離共193公里。LZ-7號飛艇可載20人,裝有3台88千瓦(120馬力)的活塞發動機,巡航速度為60公里每小時。這是最早的空中定期航線。第一次世界大戰前後是飛艇發展的鼎盛時期,德國建立了齊伯林飛艇隊,用於海上巡邏、遠程轟炸和空運等軍事活動,曾多次用飛艇對倫敦進行轟炸。飛艇體積大、速度低、飛行不靈活,極易受到攻擊和損壞。第一次世界大戰後,齊伯林公司又造了兩艘巨型飛艇──「齊伯林伯爵」號和「興登堡」號,在歐洲到南美和美國的商業航線上飛行。「興登堡」號是當時最大的飛艇(圖2),容積200000立方米,長245米,內部陳設豪華,可載75名旅客,速度130公里每小時。1936年 3月4日開始飛行。1937年5月6日從德國飛往美國時,在美國新澤西州萊克赫斯特上空,它的上部垂直尾翼忽然起火,火焰蔓延全艇,36人遇難,從此結束了飛艇的商業航行。20世紀70年代以後,不少國家又開始利用現代科學技術研製新的飛艇,用於油田巡邏和吊運大型裝備。

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  對飛機的探索和試驗  在人類利用輕於空氣的航空器飛行成功的同時,許多航空先驅者對重於空氣的航空器──飛機也在進行探索和試驗。19世紀初英國的G.凱利首先提出了利用固定機翼產生升力和利用不同的翼面控制和推進飛機的設計概念。由多年來嘗試的撲翼轉向定翼,是飛機走向成功之路的第一步。他在仔細地研究了鳥類飛行之後,認識到鳥翼的功能可分解為升舉和推進兩部分。1809年,凱利在其著作中寫道:「全部問題是如何應用足以抵抗空氣阻力的動力來使翼面支持一定的重量。」這就是動力飛行的基本原理。1849年,他製成一架滑翔機,將一個10歲的小孩帶到幾米的上空。1853年,他又製成一架新的載人滑翔機,帶著他的馬車夫飛了幾百米。由於當時沒有一種動力裝置具有足夠大的推力重量比,所以不可能實現動力飛行。
  為了飛機的成功飛行,必須解決升力、動力和穩定操縱問題。許多人利用蒸汽發動機對動力飛行作了探索。英國的W.S.亨森於1842年設計了飛機草圖並獲得專利,但未製造(圖3 )。1882年俄國的 Α.Ф.莫扎伊斯基曾使其單翼機沿斜坡下滑作過動力跳躍。1890年法國C.阿代爾的蝙蝠式飛機由平地作了躍飛。1894年旅居英國的美國人H.S.馬克西姆的巨型飛機試飛時也未獲成功。他們的飛機飛行距離很短,無法說明飛機是可操縱的。1883年,汽油內燃機(活塞發動機)問世。20世紀初,美國科學家S.P.蘭利製造了安裝活塞發動機的飛機,但在1903年的兩次試飛均遭失敗,其原因主要是沒有解決飛機的穩定操縱問題。

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  當時,有少數人沿著另一條道路對飛行進行探索,他們從試飛滑翔機開始,先使滑翔機穩定地飛行並能操縱,然後再加上動力,這個途徑恰是成功的道路。沿這條道路的創始者是德國的O.李林達爾。他從1867年起研究滑翔,1891年設計並製成一架滑翔機,1893~1896年間作了約2000次滑翔飛行,滑翔距離曾達300米(圖4)。他的最終目的是在滑翔機上安裝發動機,實現動力飛行。不幸他在1896年的一次飛行中因滑翔機失事而遇難。沿著李林達爾的道路繼續探索的是在法國出生的美國土木工程師O.查紐特。他從1875年起開始對飛行發生興趣,畢生搜集和編輯其他研究者的成果,於1894年出版了《飛行機械的進展》一書。1896年查紐特採用橋樑設計技術改進了李林達爾的雙翼滑翔機,並作了幾百次成功的飛行,飛行距離達幾百米。查紐特曾打算製造動力飛機。當萊特兄弟讀了他的書後與他建立了通信聯繫,他便成了萊特的顧問和知已,3人就通力合作了。萊特兄弟沿著李林達爾開闢的道路,吸取了前人的經驗,成功地實現了人類第一次動力飛行,在航空史上作出了劃時代的貢獻。

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活塞發動機飛機時期


  

(20世紀初至40年代中期)


  飛機飛行成功和初步進展  W.萊特和O.萊特兩兄弟是美國自行車技師。他們在李林達爾滑翔飛行活動的鼓舞下對航空產生了濃厚的興趣。他們製造了滑翔機,進行飛行操縱試驗,又自行設計和製造了風洞(圖5),在風洞中他們把不同的機翼模型懸挂在風洞天平上,以測定機翼的氣動力。在風洞實驗的基礎上設計製成新的滑翔機,在1902年9~10月,進行了近千次飛行,取得完全成功。於是他們決定進行動力飛行。1903年,萊特兄弟設計和製造了「飛行者」1號飛機(見彩圖),這架飛機採用8.8千瓦(12馬力)的水冷4缸活塞發動機和高效率的螺旋槳。機體主要為布、木材加鋼管的結構。空氣動力外形為「鴨式」,即兩個升降舵在前,兩個方向舵在後。機翼面略呈弧形。橫側穩定操縱靠兩側向上下相反方向扭轉的翼尖來保證。機翼翼展12.3米,飛機重約340公斤。1903年12月17日,萊特兄弟駕駛「飛行者」1號飛了4次。第四次飛得最遠,約260米,留空59秒,這是人類最早的持續的動力飛行。

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  1904~1905年,萊特兄弟又製造了「飛行者」2號和3號,後者是第一架實用的飛機。1906年萊特飛機獲得專利,1908年萊特在法國的飛行表演轟動了歐洲。同年與美國陸軍簽訂了製造軍用飛機的合同。
  20世紀初,歐洲也有人從事飛機的研究。1906年桑托-杜蒙設計的飛機在法國飛行成功。1909年7月25日法國L.布萊里奧駕駛自己設計的「布萊里奧」Ⅺ號單翼機,首次飛越了英吉利海峽,在37分鐘的時間內飛行了約40公里(圖6 )。這是最早的飛機國際飛行。1910年 3月法國H.法布爾設計的浮艇式水上飛機,把飛機的使用範圍從陸地擴大到水面。1909年 8月在法國蘭斯舉行了第一次航空博覽會。會上展出了38種不同型式的飛機,其中23架作了飛行表演和競賽。在這些飛機中最遠的飛行距離為180公里,飛行時間超過3小時,最高速度為75公里每小時。1910年11月14日在美國進行了飛機從航空母艦上起飛的試驗。1913年 2月25日,俄國И.И.西科爾斯基設計的4發動機大型飛機「伊里亞·穆羅梅茨」號首次飛行成功,在第一次世界大戰中它被用為重型轟炸機。1914年俄國飛行員П.Н.聶斯切洛夫完成了第一個飛機特技飛行──筋斗。飛機初步顯示了它的軍事潛力。

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  飛機在第一次世界大戰中的應用  飛機在軍事上的最早應用是在1911~1912年義大利侵略土耳其之戰。在後來的幾次戰爭中也曾使用,主要用於偵察,而且規模很小。在第一次世界大戰中,飛機開始大規模用于軍事目的。大戰開始時,各國擁有的飛機僅數百架,也沒有專門設計的軍用飛機。飛機起初用於偵察和照相,1914年8月22日,協約國的飛機在比利時前線進行了第一次偵察,從而發展了偵察機。偵察機在空中相遇時,飛行員常用手槍射擊,於是產生了「控制天空」驅逐敵機的需要,出現了驅逐機(后稱為殲擊機)。飛行員先用馬槍或步槍,后又改用機關槍射擊。驅逐機於1914年10月5日首先進行了空中格鬥。德國1915年製成機槍射擊協調器,射擊時子彈從螺旋槳槳葉間隙中射出。1915~1916年,德國裝有射擊協調器的單翼驅逐機福克 E-3取得很大成功,不久協約國也製造出這種裝置並設計了一批優秀的驅逐機,此後又研製出轟炸機和強擊機。先是用手榴彈和炮彈從飛機上進行轟炸,後來發展了專用的航空炸彈和航空瞄準具。1914年11月21日英國用愛弗羅 504型轟炸機深入德國境內對齊伯林飛艇工廠進行轟炸。1917年10月11日英國皇家飛行團成立,專門執行轟炸任務。1918年4月1日,這個團發展為英國皇家空軍。1915年12月19日,德國容克斯鋁合金張臂式單翼機製成,大戰末期德國曾將這種飛機作為對地攻擊的強擊機使用。戰時還設計和生產了教練機以滿足培訓飛行員的需要。廣泛使用的教練機有美國的寇蒂斯 JN-4D。美、英兩國還開始建造航空母艦和艦載作戰飛機。
  第一次世界大戰肯定了飛機在軍事上的作用,出現了執行不同軍事任務的飛機機種。戰爭由平面向立體轉化。到第一次世界大戰結束時,飛機的飛行性能已有顯著的提高,飛行時速由80~115公里提高到180~220公里。升限由3000~5000米提高到8000米,航程增大到440公里。飛機的結構和動力裝置都有較大的改進。飛機的研究、設計、製造和駕駛有了明確的分工。航空已從個人的活動發展到有組織的集體活動。許多國家建立了專門的航空科學技術研究機構和航空工業,世界上已有200多個飛機廠和80個發動機廠,共生產了183877架飛機和235000台活塞發動機。大戰開始時雙方共有約1500架飛機,大戰結束時已增到約8000架。航空活動已發展到相當大的規模,飛機、發動機和其他航空裝備的研究、設計和製造已形成較為嚴密的體系。
  飛機民用運輸的創建  從1911年起就有人嘗試用飛機開展運輸和郵遞服務。第一次世界大戰後,剩餘軍用飛機很多,又有大批飛行員退役。德國戰敗后採用舉辦民用航空運輸的手段,以保存技術力量,繼續發展航空工業。首先在1919年2月建立了國內航線,同年8月25日,英法建立了國際定期空中客運航線,不久就形成了航空運輸網。航線上使用的飛機是經過改裝的轟炸機。1919年 6月25日德國容克斯公司專門設計和製造出全金屬下單翼民航機F-13。機上裝有一台136千瓦(185馬力)的活塞發動機,可載乘客4人和空勤人員2人。1920年,英國漢德利-佩奇公司製造了能載 12名乘客的雙發動機旅客機。1922年,改成裝羅耳斯-羅伊斯公司265千瓦(360馬力)發動機的旅客機,投入倫敦-巴黎-布魯塞爾航線。隨著空運業務的擴大,又製造出幾種3發動機的旅客機,例如美國的福特4-AT(1926)、波音80A(1928),德國的容克斯Ju-52(1932)。
  速度和舒適性是旅客機的兩項重要指標。30年代為提高飛行速度,旅客機採用了流線型的空氣動力外形,提高了客艙內部的舒適性。首先體現這些特點的是波音247旅客機(圖7),不久,道格拉斯公司設計出性能更優越的DC-1、DC-2和DC-3旅客機。DC-3於1935年12月17日首次飛行,可載21、28人或36人。它裝有880千瓦(1200 馬力)的星型氣冷活塞發動機兩台,巡航速度290公里每小時,航程2415公里。DC-3具有現代旅客機的主要特徵──全金屬結構、光滑金屬蒙皮、收放式起落架、張臂式單翼、帶整流罩的多台大功率活塞發動機、變距恆速螺旋槳。

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  水上飛機在民用航空運輸中也起了重要作用。1919年美國寇蒂斯NC-4首先開闢了大西洋航線。1929年德國的Do-X是30年代最大的水上飛機。其翼展長達 47.88米,裝有12台活塞發動機,總功率達4400千瓦(約6000馬力),載客最多時達169名。
  全世界旅客機載客總量發展到3400000人,其中美國的發展尤為迅速。
  航空科學技術的進步  從20世紀初到第二次世界大戰開始這個階段內,航空科學技術發展得很快,成為促進飛機性能提高,應用範圍擴大的主要因素。研究航空器飛行原理的空氣動力學發展迅速。萊特兄弟的飛機飛行成功,曾得益於風洞實驗。到了30年代,空氣動力學已成為數學和工程相結合的典範。Н.Е.茹科夫斯基、F.W.蘭徹斯特和M.W.庫塔等在研究環流的基礎上建立了機翼理論。1906年茹科夫斯基發表了升力理論。1904年,L.普朗特首先提出了邊界層概念,解決了當時無粘性空氣動力學理論與實驗之間的矛盾。他還創立了有限翼展理論,建造了世界上第一個迴流式風洞。1915年,美國創設了航空諮詢委員會,並建立了各種型式和不同尺寸的風洞,開展了大量航空科學研究工作。普朗特的學生和助手T.von卡門領導了美國加利福尼亞理工學院航空實驗室,成為美國航空科學的帶頭人。1918年蘇聯創建了中央流體動力研究院。英、法等國家也相繼成立了航空科學研究機構。
  在這段時期內,航空科學技術研究在改善飛機空氣動力外形、降低飛機阻力和提高發動機功率等方面都取得了重大的進展,其成果很快地反映到飛機設計上。20年代後期,雙翼機逐漸向單翼機過渡。1933年以後,雙翼機逐漸被淘汰。1930年前後,飛機的起落架由固定式加裝整流罩改進為收放式;座艙由開敞式變成封閉式;發動機加整流罩,散熱器改放到特殊風道內;飛機採用氣密式結構;機翼上採用襟翼。飛機結構材料也由第一次世界大戰時的木材、層板、亞麻布或棉布,改進為鋁合金應力蒙皮,從而提高了強度、降低了阻力。活塞發動機也發展迅速,到30年代,重量功率比降低到0.68公斤/千瓦(0.5公斤/馬力),單台功率從1919年的294千瓦(400馬力)提高到30年代末的約1470千瓦(2000馬力)。美國的星型氣冷活塞發動機得到廣泛的應用。英、德兩國則在液冷直列式或 V型發動機方面取得進展。螺旋槳也由定距改進到變距恆速。1929年,美國的無線電導航技術在飛機飛行試驗中取得成功。到30年代末,民航飛機已普遍採用無線電導航。在第二次世界大戰前,英國還發展了雷達技術,並用雷達從地面指揮戰鬥機作戰。
  隨著航空科學技術的發展,飛機的飛行性能有了很大提高。1919年水上飛機首次橫渡大西洋。1927年 5月20日美國C.A.林白駕駛瑞安 NYP-1型輕型飛機從紐約直飛巴黎,用了33小時39分。1937年 6月,蘇聯А.Н.圖波列夫設計的安特25又從莫斯科直飛美國。這些長途飛行表明飛機的可靠性和安全性大大提高。除航程外,飛機的升限和速度紀錄也不斷刷新。1933年飛機飛越珠穆朗瑪峰。1938年創造了 17094米的升限紀錄。1933年飛行時速提高到491.05公里。1939年4月26日,德國Me-109R驅逐機創造了活塞發動機飛機飛行速度的空前紀錄──755.09公里每小時。
  直升機和旋翼機在兩次大戰之間獲得改進,到1939 年漸趨成熟。早在1906年就有人研究過直升機,但沒有解決平衡和操縱問題,直升機大都不能飛行。1923年西班牙人J.切爾瓦引入鉸接式旋翼才使旋翼機飛行成功。1936年6月26日,德國人H.福克成功地試飛了第一架得到公認的載人直升機Fw-61。1939年9月14日,西科爾斯基設計的VS-300直升機試飛成功,1940年持續飛行31小時32分,性能超過了Fw-61。由VS-300發展了一系列單旋翼帶尾槳的典型直升機型式。1942年屬於這個系列的 R-4直升機成批生產。1946年美國L.D.貝爾設計的貝爾47直升機取得適航證。在這以後直升機在軍用和民用方面逐漸獲得廣泛的應用。
  第二次世界大戰中的軍用飛機  30年代後期,第二次世界大戰即將爆發,各國都研製了新的軍用飛機。德國首先研製了Me-109驅逐機,英國研製了「颶風」式和「噴火」式驅逐機。這些飛機的最大速度約為480~564公里每小時。蘇聯研製了拉格3、雅克1和米格3,米格3的最大速度為640公里每小時,飛行高度7800米。美國研製了寇蒂斯P-26A,在1935年設計了4發動機的重型轟炸機「空中堡壘」B-17。這些飛機大部分在大戰初期應用。美國因參戰較晚,使用了更加新的飛機,早期使用的戰鬥機有P-40、P-39和P-38(圖8)。後來投入了P-47和P-51。P-38和P-47多用於轟炸機護航,但航程很短。P-51的航程遠(帶副油箱約為3349公里),速度大(784公里每小時)、升限高(11688米),作戰性能好,於1943年12月投入護航后,大大降低了轟炸機的作戰損失率。蘇聯後期的新型驅逐機有拉5、雅克9和雅克3,對德作戰十分有效。日本「零」式驅逐機的重量小,機動性好,主要用於航空母艦和海戰。1941年日軍偷襲美國珍珠港時,「零」式飛機曾是主力。美國優秀的艦載戰鬥機有「野貓」、「山貓」、「海盜」等,它們在太平洋上多與「零」式飛機作戰。

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  強擊機中最優秀的是蘇聯的伊爾 2。這種飛機的裝甲性能好、火力強,能有效地打擊坦克和地面部隊,是蘇聯戰場上使用最多的作戰飛機。伊爾 2及其改型伊爾10的產量占這時期蘇聯飛機產量的第一位,共生產41000多架。
  轟炸機除輕型、中型和重型外,還有魚雷轟炸機和俯衝轟炸機。俯衝轟炸機中以德國的容克斯-87最為著名,在俯衝轟炸時發出尖銳的嘯聲以產生恐嚇作用。此後,德軍還使用了亨克爾 He-111A雙發動機轟炸機。美國的中型雙發動機轟炸機B-25以首次轟炸日本東京而聞名於世。4發動機重型轟炸機,美國有B-17和B-24,都裝有精確的轟炸瞄準具,能在白晝進行精確轟炸;英國有「蘭克斯特」和「哈里法克斯」,能進行夜間區域轟炸。1944年初盟軍加強對德戰略轟炸,常常一天出動近1000架戰略轟炸機和800~900架護航戰鬥機。第二次世界大戰中最重、最大的作戰飛機是美國的 4發動機重型轟炸機B-29「超級空中堡壘」,總重為62500公斤。1944年6月,B-29轟炸了日軍的亞洲基地,接著又轟炸了日本列島。1945年8月6日和9日,它在廣島和長崎各投下一顆原子彈,造成巨大的傷亡。
  在第二次世界大戰中,飛機性能迅速提高,參戰飛機數量大,種類多。空軍已成為重要的軍種。飛機生產量達到高峰。美、英等盟國生產了約40萬架,全世界共生產了約100萬架。
  

噴氣飛機時期


  

(40年代中期以來)


  噴氣飛機的誕生和突破音障  30年代後期,活塞發動機螺旋槳飛機的最大平飛速度已達 700餘公里每小時,俯衝時接近音速。在這種條件下,飛機發生劇烈抖振、不穩定,甚至失去操縱而破壞。當時人們把這種現象稱為音障。渦輪噴氣發動機和噴氣飛機的誕生,為突破音障開闢了道路。
  早在1791年已出現燃氣輪機的設計方案,20世紀初產生了噴氣推進的理論,但是很長時間內葉輪機的效率太低,不可能造出實用的渦輪噴氣發動機。由於活塞發動機增壓器的發展,葉輪機械的效率大幅度提高。在這基礎上英國F.惠特爾於1930年1月取得渦輪發動機專利。德國H.-J.P.奧海因 卻後來居上,他在1935年取得渦輪發動機專利,1937年3月研製成功推力為5000牛(500公斤力)的HeS-3B軸流式噴氣發動機,1939年8月27日,裝有此發動機改型HeS-3B的He-178飛機試飛成功,最大速度為700公里每小時,成為世界上第一架成功飛行的噴氣飛機。惠特爾的離心式渦輪噴氣發動機於1937年 4月12日試製成功。1941年5月15日裝有W-1發動機的噴氣飛機E28/39試飛成功。繼He-178之後,德國Me-262戰鬥轟炸機也於1942年7月28日首次飛行。 它裝有兩台推力各為9000牛(900公斤力)的「朱摩」004軸流式渦輪噴氣發動機,最大平飛速度為850公里每小時,超過第二次世界大戰時盟國所有高性能活塞發動機的驅逐機。英國在1943年還試飛了「流星」和「吸血鬼」噴氣戰鬥機。美國於1941年引進惠特爾的噴氣發動機,由通用電氣公司仿製成功,命名為I-A。1942年10月1日,貝爾飛機公司的裝有兩台 I-A發動機的噴氣戰鬥機「空中彗星」XP-59A試飛成功。1944年又試飛了「流星」P-80(即F-80)。蘇聯在第二次世界大戰後從德、英兩國引進渦輪噴氣發動機,開始噴氣飛機的設計。第二次世界大戰後,殲擊機、轟炸機和其他軍用飛機都先後噴氣化,民航機的噴氣化稍遲。通過噴氣化,飛機的性能提高很快,空氣動力外形也發生了很大變化。1946年,美國發展了「雷電」P-84和「潑婦」FY-1噴氣戰鬥機,蘇聯試飛了雅克15和米格9。以上飛機都具有平直梯形機翼, 其最大速度約為800~900公里每小時。后掠機翼理論早在1935年就已提出。在以接近音速飛行的飛機上,採用后掠機翼可以延緩出現跨音速時不利的空氣動力特性。1947年蘇聯和美國分別研製了後掠角為35°的米格15(圖9)和「佩刀」F-86噴氣戰鬥機。中國人民志願軍空軍在抗美援朝中曾用米格15與美國F-86飛機作戰,是噴氣戰鬥機最早應用於空戰。

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  為了進一步提高飛機的速度,必須突破音障。在卡門的建議下,美國於1943年開始執行貝爾火箭動力試驗研究機的計劃。當時,噴氣技術已有一定的基礎。在結構方面,氣動彈性力學的發展,解決了30年代初因飛行速度提高而引起的飛機顫振問題。卡門和他的包括錢學森在內的同事們,已經基本上掌握了亞音速、跨音速和超音速空氣流動的特點,並且開始了火箭的研究。這就為突破音障提供了技術基礎。1947年10月14日,美國貝爾X-1火箭試驗研究機(見彩圖)在12800米高空達到 1078公里每小時的速度(馬赫數為1.015),首次突破了音障。1953年,美國「超佩刀」F-100戰鬥機的高空平飛速度達到1220公里每小時,也突破了音障。X-1試驗研究機仍採用平直機翼,主要靠火箭發動機的大推力來實現持續時間很短的超音速飛行。對於實用的超音速飛機,須採用后掠翼和面積律等措施。美國F-102戰鬥機在1954年1月試飛時,由於跨音速時波阻過大而未超過音速,隨後採用跨音速面積律和其他措施,其改型F-102A(圖10)順利地超過音速。噴氣飛機的誕生和突破音障,是航空發展史上的第三次重大突破,從此飛機進入了超音速飛行的領域。

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  噴氣軍用飛機的發展  50年代,噴氣戰鬥機的速度提高到音速的兩倍。美國「星」式 F-104、「鬼怪」式F-4和蘇聯米格 21等戰鬥機都達到了這樣的速度。60年代美國和蘇聯發展了3倍音速的軍用飛機。飛機在高空持續以3倍音速飛行,空氣動力加熱嚴重,因而出現了熱障問題。1962年4月,美國研製的原型機A-11試飛成功。由A-11發展了YF-12遠程截擊機和SR-71戰略偵察機。SR-71(見彩圖)於1964年試飛,1966年交部隊使用。為了克服熱障,機體93%採用不鏽鋼。1976年SR-71創造了渦輪噴氣發動機飛機的速度世界紀錄──3529.56公里每小時。蘇聯的3倍音速飛機是米格25截擊/戰略偵察機,1969年裝備部隊。其原型機E-266曾於1977年 8月31日創造渦輪噴氣發動機飛機的升限世界紀錄──37650米。

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  50~60年代,為了研究超音速、高超音速飛行和解決熱障問題,美國在X-1的基礎上研製了一系列試驗研究機,如D-558、X-2和X-15。X-15(見彩圖)為高超音速研究機,裝有一台液體火箭發動機,推力超過266.9千牛(27215公斤力),1959年實現首次動力飛行。1963年和1967年分別達到107860米的高度和7297公里每小時的速度(馬赫數6.72)。X-15的蒙皮主要用鎳鉻合金,受力結構用不鏽鋼和鈦合金。

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  60年代出現了兩項航空新技術──變后掠機翼和垂直起落技術。它們在飛機上應用成功,為提高飛機綜合性能開闢了新的途徑。變后掠機翼是英國和美國分別於1946年和1951年開始研究發展的。第一架實用的變后掠機翼飛機是美國的F-111戰鬥機(圖11)。它是為滿足既要執行低空對地攻擊任務又要執行高空遠程截擊任務的不同要求,而採取了變后掠機翼的布局。F-111飛機於1964年12月21日試飛成功,變后掠機翼在70年代和80年代獲得日益廣泛的應用。如美國的B-1(見彩圖)、F-14,蘇聯的米格23、米格27、蘇17/20/22、蘇24和英國、聯邦德國和義大利合作研製的「狂風」(見彩圖)等飛機都採用了變后掠機翼。

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  垂直起落技術的研究始於50年代。1954年英國用「飛行台架」試驗研究機作了垂直起落飛行試驗。1962年起英國又試飛了垂直起落研究機P-1127和「茶隼」。在此基礎上發展了「鷂」式垂直和短距起落戰鬥機(圖12),1969年裝備英國空軍。美國引進了「鷂」式,經過改進后命名為AV-8A。60年代末,蘇聯研製了艦載垂直起落殲擊機雅克36。

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  60年代研製的3倍音速戰鬥機,機動性差,不適於空戰。為此,70~80年代又發展了一系列機動性好、馬赫數為2~2.5、機載電子設備先進、火力強大的新型軍用飛機。這些飛機中除上述的變后掠翼飛機外,還有美國的F-15、F-16、F-18,蘇聯的米格29、米格27,法國的「幻影」2000和「幻影」4000(見彩圖)等。這些飛機採用了邊條翼和前後緣機動襟翼等先進的空氣動力措施。

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  第二次世界大戰後,轟炸機經歷了繼續發展活塞發動機轟炸機的短暫過程,然後轉向噴氣式。美國在B-29的基礎上發展了活塞發動機的B-50和B-36。1951年12月17日,美國最早的噴氣轟炸機B-47首次飛行。在B-47的基礎上,1952年發展了重型戰略噴氣轟炸機B-52(圖13),用以代替B-36。B-52經過幾次改型,一直使用至今。1962年B-52H曾創造飛機航程20168. 78公里的世界紀錄。40~50年代,英國發展了三種V型噴氣轟炸機,蘇聯發展了伊爾28、米亞4、圖20和圖16噴氣轟炸機。60~70年代又出現了幾種超音速轟炸機,如美國的B-58、XB-70變后掠機翼的FB-111和B-1,蘇聯的雙發動機轟炸機圖22和 4發動機的變后掠翼戰略轟炸機圖26。XB-70是3倍音速的鴨式戰略轟炸機,主要結構材料為不鏽鋼,1964年9月21日首次飛行。后因美國戰略思想的改變,只造了兩架就停止發展,把它改用於超音速客機的設計研究。

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  第二次世界大戰後,軍用運輸機也得到相應的發展,各國研製了一系列渦輪螺旋槳和渦輪噴氣軍用運輸機,其容積和重量不斷增大。最大的是蘇聯的安22和美國的「銀河」C-5A運輸機(見彩圖)。安22於1965年 2月首次飛行,總重250000公斤,最大載重約80000公斤。C-5A於1968年6月試飛,總重達348810公斤,最大載重約120000公斤。

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  噴氣民航飛機的發展  第二次世界大戰時大型機場遍布世界各地,為戰後民航運輸的迅速發展創造了良好的條件。民航機的噴氣化比軍用機稍晚,經過了一個大型活塞發動機民航機的過渡階段。美國的戰時軍用運輸機C-54,於戰後復原為民航機DC-4。接著美國又發展了「星座」式和波音B-377「同溫層巡航者」式。它們都是大型4活塞發動機民航機,在噴氣民航機問世后不久就被淘汰了。噴氣式民航機的使用是民航技術的一次飛躍,不僅提高了民航機的速度近2倍,而且使飛行高度提高到11公里左右,在平流層飛行,增加了安全性和舒適性。
  最初使用的噴氣民航機是英國的「子爵」號,它裝有4台渦輪螺旋槳發動機,1950年7月29日在倫敦-巴黎航線上飛行。第一架純渦輪噴氣發動機的噴氣民航機是英國的 4發動機「彗星」號(圖14)。它於1949年開始設計,1952年5月2日開始在航線上使用。在1953年5月到1954年4月之間,「彗星」號連續3次失事,主要是由於疲勞斷裂問題。「彗星」號雖遭失敗,但已經顯示了噴氣民航機的優越性,它的教訓使以後的噴氣民航機避免出現類似的問題。在這以後,航線上飛行的噴氣民航機又有蘇聯的圖 104(1956年)和美國的波音707(1958年)。波音 707的速度達到900~1000公里每小時。50年代末又出現了同類型的噴氣民航機 DC-8和康維爾880/990。這些可以稱為第一代噴氣民航機。從1956年起,噴氣民航機數量日增,終於成為民航運輸的主力。

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  60年代,由於噴氣發動機技術的改進,第二代噴氣民航機安裝了高涵道比的渦輪風扇發動機,這種發動機的耗油率低和發動機雜訊小,使噴氣民航機變得更加經濟和舒適。這一類飛機包括美國的波音727、DC-9,法國的「快帆」,英國的「三叉戟」和蘇聯的伊爾62。
  70年代出現的噴氣民航機以寬機身為主要特徵,提高了飛機的載客量和舒適性。1970年1月美國4發動機巨型噴氣民航機波音747(見彩圖)開航。其總重達約373000公斤,客艙可並排乘坐10人,最大載客量超過500人。70~80年代又有幾種寬機身民航機問世。其中有法國、英國、聯邦德國、荷蘭和西班牙五國合作研製的雙發動機的「空中公共汽車」A-300,美國3發動機的DC-10和「三星」L-1011以及蘇聯4發動機的伊爾86。

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  80年代的噴氣民航機有美國雙發動機的波音757、波音767和歐洲的A-310,可用於中短程和中遠程的航線,其主要特點是耗油率低,經濟性好。
  1968年 12月 31日蘇聯首次試飛了超音速民航機圖144(圖15),它的設計參照了英法合作研製的「協和」號超音速民航機(見彩圖)。後者在1969年 3月開始試飛,1976年 1月用於航線飛行。這兩種飛機把民航機的速度提高到略大於 2倍音速。但是超音速民航機耗油多、雜訊大,限制了它的發展和使用。

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  噴氣式民航機的發展改變了交通運輸的結構,飛機已成為與國民經濟和人民生活息息相關的交通工具,近30年來,空運成本下降很多,規模迅速擴大,形成了遍及全世界的航線網。
  其他航空器的發展  第二次世界大戰以後,直升機和輕型飛機的發展十分迅速,此外,還出現了一些其他類型飛機。直升機具有錄活方便和不需要固定的機場設施等優點,在民用航空運輸、軍事、救生方面得到了廣泛的應用。50年代直升機的速度很低,約100~200公里每小時。採用渦輪軸發動機、固接式旋翼和組合式構造后,直升機速度提高到約480公里每小時。1961年美國開始使用S-61型直升機,它裝有兩台1030千瓦(1400馬力)的渦輪軸發動機,在此基礎上又發展了S-62、S-64起重直升機和S-65重型直升機。1961年美國還研製了縱列雙旋翼的CH-47運輸直升機。60年代中期美國的武裝直升機「休伊眼鏡蛇」用於對地強擊任務。1965年蘇聯研製出橫列雙旋翼式運輸直升機米12(見彩圖),總重量達105000公斤。此外,還有米 8運輸型、米10起重型、米24武裝型和米26重型運輸型等直升機。

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  通用飛機是指軍用飛機和商業民航飛機以外的所有輕型飛機。通用航空始於20年代,由於社會的需要,通用飛機已廣泛用於農田作業、空中攝影、測量勘探、交通運輸、造林護林、醫療救護、體育運動等方面。通用飛機的數量不斷增加,到1965年已超過 53000架。60年代通用飛機已佔全世界飛機總數的60%,到1974年通用飛機總數已達153000架。
  人力飛機一直受到人們的注意。撲翼人力飛機迄今未獲成功。英國的定翼人力飛機曾作過短暫飛行。1977年美國人力飛機「飄忽禿鷹」號完成8字航線飛行。1979年5月12日,美國人力飛機「蟬翼信天翁」號用2小時49分飛越英吉利海峽。由於人的體力有限,人力飛機只能用於體育活動。人力飛機為研製低速、低翼載、輕重量飛機提供了經驗,太陽能飛機於70年代末開始研製(見彩圖)。1979年4月29日,美國太陽能飛機「太陽升降機」號首次航行,飛了約1.5 分鐘。1980年12月「太陽挑戰者」號試飛成功,它使用了大量工程塑料,僅重約90公斤,機翼和尾翼上裝有16128隻太陽電池,1981年7月7日,它用5小時23分和64.4公里每小時的速度飛越了英吉利海峽。隨著太陽能轉換技術的提高,太陽能飛機的性能將會進一步提高。

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  航空科學技術的新變革  隨著科學技術的發展,航空科學技術產生了深刻的變革。60年代飛機開始使用計算機、捷聯式慣性導航和塔康導航系統,機載脈衝多普勒雷達、飛機飛行自動控制系統等,這些系統將飛機的通信、導航、自動控制、電子對抗,目標的截獲、識別和跟蹤、全天候飛行等方面的性能提高到新的水平,從而大大提高了飛機的作戰、機動和生存能力。例如1968年英國「三叉戟」2E民航機裝備了全天候自動著陸系統,提高了著陸的安全性。70年代軍用飛機廣泛使用了主動控制技術,使得飛機在初步設計時就考慮控制系統的作用,綜合選擇飛機最佳外形,降低飛機阻力,減輕飛機結構重量。70年代隨著計算機技術的進一步發展,出現了綜合機載電子系統。 例如波音757、波音767、A-310民航機都裝備有飛行管理系統,飛行管理計算機用於調度系統工作,它通過數據傳輸線與感測器分系統、飛行控制分系統和控制顯示分系統相聯,整個系統兼有性能管理、導航、控制和顯示等功能。在70~80年代的軍用飛機上,機載電子設備在飛機總成本中的比例,已從50年代的5%~10%增加到30%~60%,航空工業已經成為微電子工業高級產品的重要市場。計算力學、計算機輔助設計和計算機輔助製造已使傳統的飛機設計和飛機製造發生了重大的變化。除此以外,80年代的飛機已經廣泛使用新型複合材料。70年代初開始使用的F-15、F-16等戰鬥機,複合材料只佔結構重量的2%~3%,在80年代初開始使用的F-18等戰鬥機上已提高到10%~26%,這就能大大減輕重量和降低成本,使航空器的性能產生新的飛躍。
  航空和航天有著緊密的聯繫,太空梭以火箭發動機為動力飛出大氣層,又可像飛機那樣返回大氣層降落。它是航空和航天科學技術綜合發展的結果。1981年 4月美國「哥倫比亞」號太空梭首次遨遊太空,標誌著航空與航天技術進入了進一步結合的新階段。
  參考書目
 J.D.Tr.Anderson, Introduction to Flight, Its Engineering and History, McGraw-Hill, New York,1978.
 R.S.Shevell, Fundamentals of Flight, Prentice-Hall,New Jersey,1983.
 John.W.R.Taylor and K.Munson,History of Aviation,New English Library,London,1978.

 

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