浅谈后掠翼技术的诞生与发展

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　　当每次看到飞机的时候，你有没有想过，为什么多数机翼都是向后倾斜的?你知道吗，这样的机翼被称作后掠翼。

　　什么是后掠翼?
　　后掠翼就是前缘和后缘均向后掠的机翼，表征机翼后掠程度的指标是后掠角，即机翼前缘与水平线的夹角。后掠翼的气动特点是可增大机翼的临界马赫数，推迟激波的到来，并减小超音速飞行时的阻力。后掠翼的出现是机翼形状的一次重大变革，对飞机发展产生了极大影响。

　　早期的飞机一般都采用平直翼，但随着飞行速度的提高，飞机会在高速俯冲时因解体而坠毁。后来，科学家们发现飞行速度接近音速时，飞机会遇到极大的激波阻力。这时，飞机要么速度难以再提高，要么承受不住巨大的冲击力而粉身碎骨。为了克服和减小激波阻力，人们一改平直的机翼形状，提出了后掠翼设计方案。

　　为什么要用后掠翼?
　　翼尖先失速的原因，有两方面：

　　      · 一方面，在机翼上表面的翼根部分，因翼根效应，平均吸力较小;在机翼上表面的翼尖部分，因翼尖效应，平均吸力较大。于是，沿翼展方向，从翼根到翼尖存在压力差。这个压力差促使附面层内的空气向翼尖方向流动，以致翼尖部分的附面层变厚，动能损失较多，容易产生气流分离。

　　      · 另一方面，由于翼尖效应，在翼尖部分的上表面前段，流管变细，吸力增大;而在上表面后段，流管变粗，吸力减小。于是，翼尖上表面的后缘部分与最低压强点之间的逆压梯度增大，这就增强了附面层内空气向前倒流的趋势，容易形成气流分离。


　　由于上述两方面原因，当迎角增大到一定程度，机翼上表面的翼尖部分首先产生气流分离，形成翼尖先失速。

　　翼尖失速后，轻则左右机翼失速程度不对称，飞机自动倾转，重则突然上仰然后整机下坠。飞机起飞或降落阶段机头抬起，迎角比较大，离地又不高，出现翼尖失速是致命的问题。因此，必须采取附加的气动布局措施，如机翼几何扭转、设置翼刀、减小后掠翼翼尖部分的后掠角、机翼前缘锯齿和缺口等。

　　是谁，给飞机插上了后掠翼?
　　在人类有动力飞行的前四十年里，一般飞机都采用直机翼设计。第二次世界大战过后，后掠翼异军突起，成了高速飞机普遍采用的机翼形式。在一些人看来，似乎是战争才使航空技术获得了较大发展，事实上并非如此，早在一九三五年，关于后掠翼的设想在一个人的脑子里就已经孕育出来了。这个人就是阿道夫•布兹曼，当时他还是德国德累斯顿的一个年轻学者。那时候，地区上很多地方都是一片萧条景象，但年轻的布兹曼踌躇满志，正在为“给飞机插上后掠翼”，让人类飞得更快，而不懈地努力着。

　　历史机遇

　　阿道夫•布兹曼曾经在哥根廷大学，为德国著名的力学家和近代航空流体力学的奠基人路德维希•普朗特工作。正是在普朗特教授指导下的这段研究工作，为布兹曼后来在超音速空气动力学领域所取得的成就和树立的权威地位奠定了基础。

　　在这一段世界性的经济萧条时期，由于经费问题对于科学技术的发展很是不利。在德国，情况也是这样，因为二十年代的通货膨胀所造成的影响，多数行业都不景气。但是，这一时期对一个航空科技工作者来说，又是一个充满机会的时期。第一次世界大战后的十五年，飞机设计突飞猛进，其间涌现出了不少胆识超群的飞行员和想象力极为丰富的飞机设计师。是他们使世界上的飞机飞得更高、更远和更快，飞机的飞行高度延伸到了同温层，能做不着陆的洲际飞行，先是飞跃大西洋，而后是太平洋。伴随着国际性航空竞赛，飞机的速度记录日新月异，其中“施奈德杯”是当时为世界航空工业竞争而专门设计的奖项，1920年夺得此奖的飞机时速为一百六十七公里，而到了1931年，当英国飞机第三次蝉联此项比赛的胜利时，其时速已经达到547公里了。随着飞行事业的发展，针对飞机的各种学术研究也逐渐受到重视。罗马的皇家科学院和阿利桑德罗•沃尔它基金会曾举办过一系列国际会议，以探讨当时最引人注目、正处于发展中的前沿课题。1935年召开的沃尔它会议对于布兹曼来说具有特殊的意义，会议的主题就是“高速航空”，邀请与会的多是当时世界航空界的知名人物。

　　在被邀请的德国学者中，既有著名的普朗特教授，也有年轻的阿道夫•布兹曼。这是布兹曼在世界航空界崭露头角的一次难得的机会，将使他得到世界一流空气动力学家的荣誉。同时，通过这次邀请，为布兹曼与世界航空界知名学者的接触和交流提供了方便。他本来就是普朗特的助手，后又被派去与冯•布劳恩和沃尔特•道恩伯格协商，在柏林附近进行火箭研究。冯•布劳恩当时在佩内明德领导德国的火箭研究计划，后来在美国主持了阿波罗登月计划;沃尔特•道恩伯格是冯•布劳恩的军方合作者，后任美国贝尔飞机公司的副总裁。他还在慕尼黑，与保罗•施密特讨论过他的“蜂鸣发动机”。后被选派去布伦瑞克担任一个空气动力研究所的领导工作。到这个研究所后，他专程赶赴维也纳邀请欧根•桑格尔，帮助他进行有翼火箭的飞行研究。当然，这些都是后来的事。

　　对于布兹曼来说，参加沃尔它会议，既是一个难得的机遇，也是一个难题。

　　首先，是时机不对。当时正是德国的恩斯特•鲁本被害和冯•兴登堡总统去世。希特勒夺权后，撕毁了凡尔塞和约，重新武装德国空军。包括空气动力学在内的许多航空科研项目被列为机密，但列入了哪些项目只有极少数人知道，一般人不得而知。因此，科学家和工程师出国旅行也受到严格限制，布兹曼此时提出出国参加会议，能否获准确实很难说。

　　第二个难题是选什么项目。最初，布兹曼考虑的是高速风洞。这是他几年前完成的，虽说比较成熟，但对他此行想达到的目的在份量上就显得有些不够，因为世界上还有人也研究这一项目，也许比他做得更好。后经过联系、协商，布兹曼决定与一个瑞士学者合作，研究一个颇具挑战性的课题——超音速时的升力。选择这一项目的最大好处是能避开德国审查机构的纠缠，因为对于超音速飞行来说，当时被认为是不适用的，自然也就没有军事价值了。

　　选择这一课题后，布兹曼又担心其结果不能满足那些知名的空气动力学家和其他航空界的权威人士的期望，因此他诚惶诚恐地日夜奋战。正是在这一段的研究工作中，布兹曼首先提出了后掠翼的设想，对此他欣喜若狂，嘴里不停地喊着：“我找到了!我找到了!”。这一天，便是后掠翼的诞生日。

　　童年梦想

　　阿道夫•布兹曼提出后掠翼的设想绝非偶然，是他多年来刻苦钻研、在超音速空气动力学领域积累了丰富的知识和经验的结果，同时与他早期的经历、对自然现象的关注以及所受的启发密切相关。

　　布兹曼从小在波罗地海边上的洛贝克港长大，父亲是港口的一位工程师。很小的时候，布兹曼就喜欢站在海边观看一艘艘船只从海面驶过。现在，我们都知道航行中的船只拖出的尖楔形的波迹，与超音速飞行产生的激波在直观上是相似的。布兹曼在为沃尔它会议准备材料时，脑海里就浮现出童年记忆中疾驶的船所拖出的波迹，猛然间，他意识到：如果将飞机的机翼做成后掠的，让机翼在气流中有一个倾角。那么，按照力的分解原理，垂直于机翼前缘的气流速度将会小于飞机的飞行速度，从而可减少超音速飞行带来的负面影响。这一设想一经出现，并用蓝图的形式勾勒出来后，布兹曼感到很兴奋。后又经过反复试验证明这一结论是正确的，自然使他惊喜到难以自我控制的地步。布兹曼不但学习和工作都非常刻苦，而且从小就养成了善于将复杂问题用简单的图画来描述的本领，这一能力使他在一生的科学研究中受益匪浅。

　　一鸣惊人

　　沃尔它国际会议如期召开。在罗马，科学家及随行的家眷均受到了热情的接待。经过充分的准备，克服了不少困难，布兹曼和其他德国科学家也如约与会。然而，意料之外的事情发生了。就在布兹曼准备发言的那一天，墨索里尼发布命令对阿比西尼亚宣战，会议被迫暂停。这一消息，令所有与会的英国代表都不知所措，因为这意味着战争的矛头已经指向英国的非洲的势力范围。因此他们虽然没有退出会议，但是取消了在公共场合的露面。

　　第二天会议重新开始，当布兹曼宣读完他的论文后，全场代表均感到非常吃惊，其研究成果得到了与会科学家的一致肯定，年轻的阿道夫•布兹曼从此一鸣惊人。

　　世界著名的空气动力学家、加利福尼亚理工大学气动研究所的领导者、美国航空事业的创始人之一冯•卡门后来在一篇文章中写到：“在这次会议上，最精彩的论文出自一位年轻的德国人之手，他就是阿道夫•布兹曼博士”。在沃尔它会议闭幕式上，就有人根据布兹曼的论文报告，绘制了一架后掠翼飞机的想象图，但是一种螺旋浆飞机，连螺旋浆叶都是后掠的。可见布兹曼的论文在当时的影响之大。

　　这次会议被后人认为是世界航空发展史的一块里程碑。它不但发现了新的航空人才，而且使航空界的众多科学家们交换了新的观点，取得了共识。会议过后，科学家和工程师们带着许多新的思想回国，为航空事业的发展、为飞机性能的更大飞跃而着手工作。

　　然而，由于种种原因(主要是没有合适的发动机能提供足够的推力，以推动飞机超过音速飞行)，布兹曼的后掠翼研究并没有在其他国家继续，仅有德国开展了这项研究工作。

　　布兹曼在德国领导研究后掠翼时，他们很快就发现了：当飞机的飞行速度达到比较高的速度后，翼面会出现局部超音速流，后掠翼可以推迟局部超音速流的出现，对提高飞机的飞行速度，具有很重要的应用价值，尤其对军用航空来说意义更大。于是，在后掠翼提出一年后，德国军方就将其纳入了秘密研究计划。从此，布兹曼也在世界航空界的公共场合消失了。

　　硕果累累

　　由于后掠翼的应用价值已被认识，为了保密起见，布兹曼的研究所被秘密迁到了隐蔽性非常好的不伦瑞克森林里。在这里，布兹曼和他的同伴们潜心工作，得出了大量关于后掠翼的风洞实验数据。

　　实验表明：机翼后掠不仅在超音速和高亚音速时可以减小阻力(波阻)、增加升力使飞机突破“音障”变得容易，而且可以大大提高飞机高速飞行时的稳定性。当时，德国的梅塞施密特飞机公司的工程师们对这一结果感到异常兴奋，他们准备将其立即应用到军用飞机上。

　　第二次世界大战期间，德国人成功地将后掠翼技术应用到了世界上最早的喷气战斗机ME-262和最早的实用火箭飞机ME-163上。到战争末期，经过多次改进的ME-262飞机的机翼后掠角达到了45度。ME-163甚至只有后掠的主机翼，没有水平尾翼，这实际上就是后来出现的三角翼飞机的前身。从现代超音速理论的观点来看，这两种飞机的设计都是成功的，只是由于当时的德国空军飞行员对其性能和驾驶不熟悉，使其未能在空战中表现出较大的优势，因此未对战争产生重大影响。但是，在当时的作战飞机中，这两种飞机的速度是很高的，曾引起盟军飞行员的关注。早在1941年的最初几次飞行中，ME-163的飞行速度就超过了998公里/小时(马赫数0.84)，这在当时是最快的飞机，只是由于保密，这一速度记录未能被国际航联所承认。

　　宝贵财富

　　二战结束时，冯•卡门率领一些美国科学家在不伦瑞克见到了布兹曼，并对他的研究感到大为震惊。不伦瑞克研究所大概是在1935年建立的，但盟军一直没有注意到它的存在，因此也没有受到什么军事上的干扰。在整个二战期间，布兹曼和他的同事们一直在这里潜心研究。难怪当时的航空界都纳闷：布兹曼到哪里去了?

　　在这次考察不伦瑞克研究所的科学家当中，就有美国的多产飞机设计师之一乔治•希瑞尔，他后来成为波音飞机公司的副总裁，主要领导研究工作。来不伦瑞克前，他正在设计一种新型高速轰炸机。到不伦瑞克研究所后，他仔细阅读了一些布兹曼的论文和风洞试验数据。两人还就后掠翼的一些具体问题进行了讨论。当时希瑞尔非常激动，并立即与波音公司的设计部门联系，令其取消轰炸机的直机翼设计，着手在原有基础上改用布兹曼的后掠翼。采用后掠翼的工作进展顺利，并取得了成功，这就是美国第一架后掠翼轰炸机B-47的由来。

　　二战结束后，布兹曼和其同事一起离开了不伦瑞克，也离开了家人，被盟军带到了英国逗留了九个月左右。美国充分认识到布兹曼这个人才的巨大价值，聘请他到美国弗吉尼亚的NACA(即NASA-美国航空航天局的前身)兰利研究中心工作，不久他的家属也被接到美国。为了让世界航空界了解阿道夫•布兹曼的存在，美国人专门在加拿大为他安排了一次露面的机会。

　　在战后的混乱日子里，所有盟国的军队都在搜寻布兹曼的研究成果，包括后掠翼的试验数据和其它资料等，一但发现变迫不及待地被抢劫一空。

　　二战以后不久，苏联人很快将搜集到的资料和数据派上了用场，著名的米高扬飞机设计局借鉴了布兹曼的后掠翼研究成果，研制出了米格-15喷气式后掠翼战斗机。美国人则利用布兹曼的数据对直机翼的FJ-1进行了重新设计，最后变成了北美公司的F-86后掠翼战斗机，该机的机翼可以说完全是ME-262的翻版。

　　米格-15由于保密而不为人知，直到它出现在朝鲜战场上才引起轰动，舆论哗然。当米格-15参战的消息见诸报端后，西方的一些航空权威竟然不敢相信，在一段时间内他们还以为米格-15是出自德国工程师之手。米格-15的问世，在世界航空史上曾产生过前所未有的冲击。后发展了许多型别，共生产了15000多架飞机，是世界上产量最大的著名战斗机之一。

　　应该说，当时的苏联人是最大限度地利用了布兹曼的成果和数据，而美国则是拥有了布兹曼本人。双方的研究成果，米格-15和F-86后来成了朝鲜战场上的对手，并在空中展开了你死我活的较量。这两种飞机的出现代表着战斗机一个新时代的开始，它们的飞行速度都达到了1094公里/小时，据介绍，F-86的最大飞机速度达到过1152公里/小时。

　　深远影响

　　米格-15和F-86的成功应用，标志着布兹曼的后掠翼技术得到了认可。此后，后掠翼被世界上所有的高速飞机所采用。后掠翼成为了突破飞机器“音障”的重要“功臣”之一(另一个是喷气发动机)，后来又成了超音速飞机的代名词，阿道夫•布兹曼功不可没。

　　从上面的介绍不难看出，后掠翼的诞生是曲折的、近乎戏剧性的，但后来的应用和发展却是顺利的、有条不紊的。开始是所有的超音速飞机和高亚音速飞机都采用后掠翼，后来在此基础上发展了三角翼、变后掠翼和不对称的斜机翼等。三角翼是后掠翼的自然衍生物，它可以改善机翼的升阻比特性，同时有利于飞机的结构设计、提高机翼强度和增加翼内可用空间。可变后掠翼可随飞机速度、高度等飞行状态调整机翼后掠角的大小，以获得最佳的飞行效果，兼顾高低速飞行的需要。今天，后掠翼技术仍在不断发展，如美国的NASA多年来一直对斜翼机、前掠翼等形式进行探讨和试验，并做出了试验机，取得了一些成果。

　　阿道夫•布兹曼是后掠翼的创造者，但其成果真正被人们所认识是米格-15和F-86出现以后的事。他到美国后，作为一名高级顾问在NACA工作了十五年，1963年开始受聘为美国科罗拉多大学教授，此后一直在这里进行教学和科研工作，为美国培养了不少出色的工程技术人员，他的研究范围很宽，涉及航空航天的许多领域。在晴朗的日子里，当布兹曼教授漫步在绿草如茵的校园里时，人们常可以看到这位后掠翼的创造者仍在和他的学生不断探讨和交流，在追寻科学的道路上继续前进。

　　来源：势加透博XecaTurbo(ID：Xeca-Turbo)