1941年
英国“兰开斯特”式轰炸机
阿维罗公司研制的“兰开斯特”式轰炸机进行首次飞行 二战期间,美国大型轰炸机的研制处于领先地位,英国次之。阿维罗公司研制的“兰开斯特”式大型轰炸机是英国轰炸机中最大的一种。1941年1月9日首次飞行。该机装有4台功率为1 231千瓦的发动机,飞行速度每小时462千米,航程1 670千米。机上装有10挺机枪,载弹量达10吨。“兰开斯特”投入使用后,成为英国及盟国的主力轰炸机之一,共计生产了7 377架。
德国研制成功第一架喷气式战斗机 在亨克尔公司研制的世界第一架喷气飞机He-178试飞成功后,德国政府决定招标研制实用型喷气式战斗机。亨克尔公司提出He-280双发喷气式战斗机方案,得到批准。与之配套的发动机是HeS-8,同时欧海因又着手研制轴流式发动机HeS-40。1941年,亨克尔公司又开始研制HeS-011发动机,其特点是采用5级压气机,第一级是轴流式,第二级是离心式,后面三级是轴流式。这些工作影响了HeS-8的研制,而且它的推力比预计的小,只有4.9千牛。1941年4月2日,He-280型双发喷气式战斗机首次试飞,速度超过了活塞式战斗机。在与FW-190活塞式战斗机进行对比试飞时,He-280型双发喷气式战斗机的性能明显具有优越性。这是世界上第一架专门设计的涡轮喷气式战斗机。但之后与Me-262的竞争中失败,未投入批量生产。
英国第一架喷气飞机试验机E28/39
英国第一架喷气式飞机试飞成功 惠特尔第一台喷气式发动机试制成功后,英国军方开始给予财政支持。第二台在试验时涡轮叶片损坏。第三台发动机在结构上做了较大的改进。惠特尔用10个分管燃烧室代替单一大燃烧室,解决了大型燃烧室的压力、温度和流场控制问题。除燃烧室外,惠特尔对压气机和涡轮也进行了一些改进。1938年10月,新的试验机组装完毕,且在试验时实现了高速持续运行。在英国军方的要求下,惠特尔开始试制试飞用发动机W1型。这台发动机着重解决了燃烧室的供油问题。惠特尔试制了30多个汽化器,但供油效果都不佳。后来,他采用了一种特殊的雾化喷嘴。1941年发动机制造成功,采用雾化器后,燃烧室的性能大大改善。W1发动机的推力达到4 450牛。与发动机配套的飞机是格罗斯特公司生产的。1941年5月15日,安装W1发动机的英国第一架喷气式飞机E28/39由萨伊尔(Phillip Edward Gerald Sayer,1905—1942)驾驶试飞成功,时速386千米,飞行时间17分。
共和公司P-47型战斗机
P-47型战斗机试飞 美国共和公司为适应军方要求,研制了P-47型战斗机。1941年5月6日原型机进行了首次试飞。P-47型战斗机是美国第二次世界大战时期使用的最大的单翼战斗机。它的高空性能优良,很适于高空作战,被看作是美国的最佳截击机,也是P-38、P-39和P-40型战斗机的重要补充。试验改进型的XP-47J曾达到每小时816千米的最大速度。P-47型战斗机是美国战斗机史上生产量最大的飞机之一,共生产了15 683架。
Me-163型火箭飞机
德国Me-163型火箭截击机研制成功 德国航空工程师李比希早在1928年就开始研制火箭飞机,并试验了一种装火药火箭发动机的滑翔机。1932年他设计了一种火箭飞机——“德尔塔Ⅳ”号,1933年又设计了滑翔机DFS-194。1940年,李比希在DFS-194型滑翔机上安装了瓦尔特R1-203型发动机,推力3 000牛,由迪特默(Heini Dittmar,1911—1960)驾驶进行了首次试飞,时速达到550千米。1941年,李比希设计出Me-163型火箭飞机。该机采用无尾翼、大后掠布局,后掠角55度,外形短粗,像一个炮弹头。1941年初,Me-163的原型机进行了滑翔飞行试验。1941年8月13日,迪特默驾驶Me-163A型火箭飞机进行了首次纯火箭动力的起飞和飞行试验,最大时速达到915千米。1941年10月2日,Me-163A型火箭飞机创造了新的速度纪录——每小时1 004千米。1943年夏,Me-163B型火箭飞机进行首次试飞。德国利用这种火箭飞机组建了第一支截击机队。它的武器系统有机炮和火箭弹,主要用于截击敌人的轰炸机。Me-163B型火箭飞机共生产了360多架。由于技术不够成熟,加之火箭飞机飞行时间很短,它未能在战场上发挥很大的作用。
1942年
P-61型“黑寡妇”战斗机
P-61型“黑寡妇”战斗机的原型机首次飞行 P-61型“黑寡妇”战斗机是世界第一种实用型夜间飞行战斗机,最初是由英国提出并研制的。美国诺斯罗普公司根据英国要求,于1940年11月提出这项夜间战斗机设计方案。后来,美国也提出了类似要求,并于1941年初订购了15架原型机用于作战适应性试验。1942年5月26日,P-61型“黑寡妇”战斗机的原型机进行首次试飞。与其他战斗机不同,P-61型“黑寡妇”战斗机的头部呈圆形,里面装有雷达,后部有两个机身。尽管P-61型“黑寡妇”战斗机很大很重,但它的速度很高,达每小时692千米,各种速度下的性能都很好;它还可携带2.9吨炸弹,并能完成截击、空战和侦察任务,还能深入敌方领空实施纵深轰炸。P-61型“黑寡妇”战斗机投入服役的时间较晚,第一批于1943年7月才加入部队,因此生产量较小,只有706架,单价高达19万美元。
Me-262“燕子”喷气式战斗机
第一架实用型喷气式战斗机Me-262试飞成功 20世纪40年代初,德国有多家公司研制涡轮喷气发动机。梅塞施密特根据德国空军的招标要求,开始研制喷气式飞机,并采用容克斯公司的尤莫004发动机。尤莫004发动机是轴流式,1940年10月开始台架试验。1941年1月,尤莫004发动机在推力达到4.2千牛时压气机开始喘振。在对涡轮叶片反复调整后,1941年12月,推力达到了9.8千牛,持续工作时间10小时以上。1942年7月18日,以尤莫004为动力的Me-262原型机试飞成功。此后,弗朗茨(Anselm Franz,1900—1994)[奥]等人根据生产需要对发动机进行了一系列改进。他们采用标准化零件,并为燃烧室、涡轮和尾喷管设计了冷却系统,使性能和可靠性得以提高。1944年初,Me-262正式服役。这是世界上第一种实用型喷气式战斗机,共生产了1 433架。生产型Me-262的时速达到868千米。德国在研制喷气发动机的过程中,发展了许多新技术,其中环形燃烧室、轴流式压气机、空心气冷叶片、尾喷管调节锥以及双涵道发动机等技术对于战后喷气发动机技术的发展产生了深远的影响。
美国波音公司研制的B-29型“超级堡垒”轰炸机试飞成功 在美国陆军战略轰炸机设计招标时,波音公司研制了B-29型“超级堡垒”轰炸机。它参考了B-17型轰炸机的设计,早在1938年就进行了改进设计。当1940年进行招标时,波音公司已在设计上准备就绪。1940年8月24日,陆军订购了3架B-29原型机。B-29型轰炸机采用了特殊的翼型和富勒襟翼,可达到相当高的翼载荷。1942年9月21日,B-29型轰炸机的原型机进行首次试飞。它的起飞质量达64吨,航程6 600千米,武器系统包括1门机炮、10挺机枪,载弹9.07吨。1943年秋,第一架生产型B-29型轰炸机交付使用,1944年6月5日首次参战。它在第二次世界大战末期对德国和日本的战略轰炸中发挥了巨大作用。1945年8月6日和9日,B-29型轰炸机两次在日本投下了原子弹。
B-29型“超级堡垒”轰炸机
弗莱特纳Fl-185型直升机
弗莱特纳[德]研制的直升机投入使用 德国发明家、工程师弗莱特纳(Anton Flettner,1885—1961)对新型飞行器和机械研制非常重视,包括试制运用马格努斯效应的船只和直升机。1935年,弗莱特纳Fl-184型旋翼机进行了试飞。1936年,Fl-185型直升机进行了试飞。它有一副主旋翼和机身侧部安装的两个反扭矩小螺旋桨。1939年,弗莱特纳Fl-265型直升机进行了试飞试验。1941年,弗莱特纳Fl-282型“蜂鸟”直升机进行了试飞。它采用横向双旋翼,其重要特征是旋翼转速能够自动变化,同时也能自动调整桨叶的攻角,因此有较好的适应性。该机于1942年投入使用,共生产了24架。
美国第一架喷气式飞机——XP-59A型“空中彗星”号试飞 1938年,美国海军组织科学家和工程师对燃气涡轮发动机的发展潜力进行了专门研究,得出的结论是:涡轮喷气发动机由于质量太大不适于作飞机的动力。1941年初,美国得到英国和德国正在研制喷气发动机的情报,陆军航空兵参谋长阿诺德(Henry Harley Arnold,1886—1950)写信给航空咨询委员会主席布什(Vannevar Bush,1890—1974),催促他建立发展涡轮喷气发动机的组织。在布什的主持下,航空咨询委员会建立了喷气推进委员会。英国在E28/39型喷气式飞机试飞成功后,邀请阿诺德前往观看表演。阿诺德与英国签订了仿制合同。这个任务由通用电器公司承担。1942年春,仿制型的I-A型发动机开始台架试验。1942年4月18日,发动机实现了首次持续运行,推力为5.56千牛。1942年10月2日,一架装有两台I-A型发动机的贝尔XP-59P型试验机在加利福尼亚州莫罗克干湖床上飞行了10分钟,这是美国的第一次喷气式飞机飞行。
XP-59型“空中彗星”喷气式飞机
李比希[德] 提出并获得了变后掠翼飞机专利 飞机的起降性能是航空设计师们十分关注的问题。德国航空工程师李比希认为,变后掠翼能够提高飞机低速时的升阻比,改善起降性能。1942年,霍尔斯特[美]试制的装有不同变后掠装置的模型飞机进行了试飞。20世纪40年代中期,英国也开始了变后掠机翼的研究,但这项工作未能持续下去。二战后,有关人员将研究成果带到美国,为美国变后掠翼飞机的研制打下了基础。
德国研制成功惯性平台 德国研制并于1942年10月3日发射成功的V-2型导弹安装了世界第一个惯性导航系统。这个平台式惯导系统由两个双自由度陀螺和一个加速度计组成。经过几年的改进,到第二次世界大战末期,德国研制成功了由三个单自由度空气轴承陀螺仪组成的平台和一个加速度计组成的惯性制导系统。平台提供相对惯性空间的方位基准,加速度计测量加速度和引力作用,积分后得到速度。由于该系统只有两个简单的积分器,无法进行重力补偿,导航精度有限。
德国V-2型导弹
拉-5型战斗机研制成功[苏] 拉沃契金设计局在拉-3型战斗机的基础上,改进研制了拉-5型战斗机,安装了功率为1 268千瓦的发动机。经过进一步改进,减轻了结构质量并改善了气动外形,该设计局又研制出拉-7型战斗机。它的最大速度提高到每小时650千米。拉-5型战斗机装有2门机炮,拉-7型战斗机装有3门机炮。三种型号的拉式战斗机总产量达到22 000架。雅克夫列夫设计局于1942年研制出雅克-9型战斗机,在斯大林格勒前线投入战斗。装备不同的发动机时,它的飞行速度分别达到每小时505千米和700千米。这些先进战斗机的出现,使苏联的空中作战能力大大提高,超过了德国的水平,从而夺取了制空权。
1943年
格罗斯特“流星”战斗机
英国第一种喷气式战斗机试飞成功 英国第一架喷气式飞机试飞后,在官方的支持下,一些飞机公司开始研制实用型喷气战斗机。格罗斯特公司研制的“流星”式喷气战斗机于1943年3月5日进行了首次试飞。它采用两台罗·罗公司的“德温特”喷气发动机,单台推力8.9千牛。飞机起飞质量为6 314千克,最大速度667千米,航程2 156千米。这是英国皇家空军装备的第一架喷气式战斗机,也是盟军在二战中唯一投入实战的喷气式战斗机。
英国研制成功轴流式喷气发动机 从1926年起,英国科学家、工程师格里菲斯等人制造了几种轴流式压气机并进行了试验研究。1936年后,他们与维克斯蒸汽轮机公司一起设计并制造了一台分为高低压两部分的双转子燃气轮机,利用从高压涡轮流出的燃气驱动一个单独的涡轮,再由涡轮带动螺旋桨。1939年,高压压气机效率达到了87%。随后,由皇家飞机研究院设计,维克斯公司制造的实用型轴流式燃气轮机进行了试验。其压气机为9级,涡轮为2级,燃烧室为环形,功率达到1 492千瓦。原计划以此研制涡轮螺旋桨发动机,改为在燃气轮机后部装上喷管,定名为F2型发动机。1943年6月29日进行了试验,成为英国第一台试飞成功的轴流式喷气发动机。
典型的前缘伸出的克鲁格襟翼
克鲁格[德]提出的克鲁格襟翼 飞机襟翼系统一直在不断完善之中。早期的襟翼大都位于机翼后缘。德国工程师克鲁格(Werner Krüger,1910—2003)发明了前缘缝翼,后被命名为克鲁格襟翼。它位于机翼前缘根部,外形相当于机翼前缘的一部分,上表面有重叠。使用时利用液压作动筒将克鲁格襟翼向前下方伸出,既改变了翼型,也增加了翼面积。它的构造简单,增升效果比较好,缺点是不能像缝翼那样具有推迟气流分离的功效。目前,大型飞机上多装有克鲁格襟翼。
雅克-3型战斗机问世 雅克夫列夫在雅克-1型战斗机的基础设计了雅克-3型战斗机。它是二战中苏联制造的质量最轻、机动性最好的战斗机。雅克-3型战斗机的起飞质量为2 650千克,气动外形有了很大改进,翼面积减小,阻力很低。装备不同发动机的雅克-3型战斗机的速度在每小时660千米至700千米。它的气动性好,翼载荷和功率载荷低,爬升率和速度很大,垂直机动性也很优越。雅克-3型战斗机装有两门机炮,或一门机炮和二挺机枪。它的产量很大。
中国航空博物馆馆藏图-2型轰炸机
图-2型前线俯冲式轰炸机开始成批生产 图-2型轰炸机由图波列夫设计局设计,装有两台功率为1 380千瓦的发动机。图-2型轰炸机正常起飞质量为10 380千克,最大平均飞行速度为每小时547千米。该机可载炸弹1 000千克,超载时可载3 000千克。机上安装了2门20毫米机炮和3挺12.7毫米机枪,正常航程2 100千米。图-2型轰炸机的产量是2 527架。
罗兰导航系统投入使用 罗兰导航系统是一种利用无线电网络实现远距离导航的庞大系统。早在1940年,美国陆军情报部微波委员会主任洛米斯(Alfred Lee Loomis,1887—1975)建议建立双曲线导航系统,并预计该系统可为320千米~800千米范围内的高速飞机提供精度为300米的导航服务。洛米斯的建议导致陆军部制订了3号计划。经过几次试验,证明该系统可行,同时还联合加拿大和英国共同参加。到1943年,陆续在美国、加拿大以及格陵兰、冰岛、法罗岛、苏格兰、英格兰等海岸建立了大量基站,覆盖范围为整个北大西洋。罗兰导航系统基站由一个主台和两个副台组成,主、副台间基线长约300海里。主台和副台各辐射峰值功率为100千瓦并严格同步的脉冲信号。用户接收机接收信号后,在示波器上经过手调测出主台与一个副台的到达时差,以数字表示;再测出另一主、副台时差后可在印有罗兰格网的海图上找到交叉点,即用户位置。太平洋战争期间,美国又在太平洋相关沿岸建立基站,为美军飞机提供导航,为对日战争获胜提供了支援。到二战结束,整个罗兰导航系统共计有72个基站,军事用户达75 000个。二战后,罗兰系统继续扩大规模,到1965年该系统正式命名为罗兰A。1974年,罗兰A开始向民用用户开放服务。为进一步扩大导航范围并提高导航精度,罗兰导航系统经过天波同步罗兰、低频罗兰、西克兰(CYCLAN)和西塔克(CYTAC)等发展阶段,最终形成了罗兰C系统,于1980年升级完成。罗兰C系统在作用距离与定位准确度方面都优于罗兰A系统。罗兰C系统基站由1个主台和2~4个副台组成,主台和副台间基线长度为600~1 000海里。发射机峰值功率从几百千瓦至4兆瓦,天线高度为180~410米,天线辐射功率为165~1 800千瓦。地波海上作用距离一般可达1 200海里,夜间一次跳跃天波可达2 300海里。由于该系统在可靠性、准确度、造价及有效作用范围等方面的许多优势,用户数量迅速增加,并获得迅速发展。罗兰C系统拥有30多万海洋用户和50多万航空用户,并拥有数目可观的陆地用户。
罗兰A导航系统在金斯顿沙岛的台站
1944年
Ju-287V1型飞机进行试飞前准备
德国试飞第一种前掠翼飞机 前掠翼飞机与后掠翼飞机概念的提出均在二战前后。1943年,德国容克斯公司受命研制一种能够超越盟军任何战斗机的重型轰炸机。最初曾计划采用后掠翼方案,但由于喷气式飞机速度快,后掠翼方案存在低速不易操纵的缺点,因此改为前掠翼方案,这就是Ju-287。它能兼顾高速和低速飞行的需要。不过,前掠翼存在气动发散问题,即当速度和仰角达到一定数值时,很难保证飞机的静稳定性。为此,在设计Ju-287型时对机翼结构进行了一些改进。为了加快研制进度,第一架原型机——Ju-287V1,机身采用He-177A型的现成部件,机尾沿用Ju-388型飞机,主起落架沿用Ju-352型飞机,前起落架则取自被击落的美军B-24型轰炸机。Ju-287型飞机装有4台Jumo004m涡轮喷气发动机,两台布置于前机身两侧,另两台吊装翼下。1944年8月16日,Ju-287V1首次试飞,结果十分令人满意。但在后续试飞中,当速度达到650千米/时时,气动发散问题开始出现,飞机不自主地趋于俯冲。经过将前机身侧向发动机改为翼下悬挂,问题得到解决。第二架原型机Ju-287V2使用4台Heinkel-Hirth011A喷气发动机,每侧翼下挂装两台。由于发动机生产厂被盟军炸毁,不得已改为使用6台BMW003A-1发动机,每侧翼下悬挂3台。该机空重11.93吨,最大起飞质量21.518吨,可装4 000吨炸弹。战争结束前,飞机仍然未能研制完成。1945年,生产线上未装配好的第二架原型机被苏军俘获,带回苏联计划对Ju-287继续进行研究。1947年,Ju-287在苏联试飞,达到了1 150千米/时(M0.95)的速度。由于前掠翼的技术问题无法彻底解决,所以并未进一步发展。
Ju-287V1型准备进行试飞
P-80型“流星”战斗机
洛克希德公司P-80型“流星”喷气式战斗机试飞 美国通用电器公司应用研制压气机的经验和成果,吸收了蒸汽轮机分公司研制轴流式发动机涡轮和燃烧室取得的经验,对I-A型发动机进行了改进,新研制的I-16型发动机于1943年4月首次试用,推力为7.1千牛,推重比为1.88。1943年初,在获悉德国正在研制的Me-262型战斗机后,美国陆军航空兵决定研制速度为800千米的战斗机,要求发动机推力达到17.6千牛。通用电器公司经过多次方案论证后,于1944年研制出I-40型发动机,推力为17.8千牛,生产型的I-40定名为J-33。洛克希德公司采用这种发动机研制了P-80(F-80)型喷气战斗机,于1944年1月9日进行首次试飞。它的最大速度达到每小时933千米,航程2 220千米。
亨克尔He-162V-1型喷气式战斗机首次试飞 亨克尔公司的He-280喷气式战斗机在德国空军的招标竞争中失败后,亨克尔设想研制一种小型喷气式战斗机。1944年9月,德国在二战中不断失败后,空军制定了“全民战斗机”计划,选中了亨克尔公司的He-162型战斗机的设计方案。该机安装一台BMW003E型发动机,于1944年12月6日进行首次试飞。它的最大速度为每小时840千米,生产量约300架,但未发挥多大作用。
艾姆斯实验室的12.2×24.4米大型风洞
美国建成最大的风洞 为开展全尺寸飞机气动实验,尽可能模拟实际飞行环境,美国航空咨询委员会的艾姆斯实验室建造了一座12.2×24.4米尺寸的大型风洞。它是当时世界最大的风洞。1982年美国对该风洞做了重大改进,增加了一个24.4×36.6米的新试验段。这座风洞直到今天仍是世界上尺寸最大的风洞。在增加实验段的同时,还增加了风洞驱动功率,更新了测控等系统,使风洞性有了较大提高。这项改进工作共投资1亿美元。
1945年
Me-262型喷气式战斗机在柏林空战中获重大战果 1944年6月,德国Me-262型喷气式战斗机首次参战,它因速度优势在空战中连连得胜。1945年4月10日,在柏林的空战中,Me-262型喷气式战斗机一天就击落盟军19架轰炸机和8架战斗机。由于它本身存在技术问题,加之主要作轰炸机使用,未能发挥更大作用,但显示了喷气式飞机的技术和性能优势。
“达特”涡轮螺旋桨发动机
“达特”涡轮螺旋桨发动机问世 1926年英国工程师格里菲斯曾提出涡轮螺旋桨发动机思想,此后他进行过一些试验,但未取得成功。而英国当时主要关注涡轮喷气发动机。20世纪40年代初,罗·罗公司为解决活塞发动机功率低的问题,进一步发展了涡轮螺旋桨发动机。该公司通过引入多级涡轮,使涡轮吸收大部分燃气能量,从而不仅带动压气机工作,而且带动螺旋桨旋转,并以螺旋桨的功率为主,推动飞机飞行。1945年,罗·罗公司研制成功第一台实用型涡轮螺旋桨发动机——“达特”,功率达917.85千瓦。这台发动机装在“流星”式飞机上并于1945年9月进行了试飞。这是世界上第一架采用涡轮螺旋桨发动机的飞机。之后,涡轮螺旋桨发动机主要用在支线客机和通用飞机上。
德雷伯研制出液浮陀螺 由于陀螺转轴存在摩擦力矩,会使陀螺产生不期望的进动,从而引起漂移误差。探索新的支承形式早在20世纪40年代就已经开始。在第二次世界大战期间,美国麻省理工学院仪表实验室的德雷伯(Charles Stark Draper,1901—1987)在为美军研制瞄准具时,就在为提高陀螺仪的精度而努力。进动轴存在摩擦力矩与阻尼不够是以前常规机电陀螺的两个主要误差源。德雷伯首先解决了阻尼问题,然后解决了液浮问题。液浮陀螺仪在相当长时间里是精度最高的陀螺仪,广泛用于惯性导航系统中。
德雷伯
罗·罗公司进行涡轮风扇发动机的可行性研究 柯安达设计的喷气发动机可看作是涡扇发动机的雏形,但后来相当一段时间未受到重视。英国罗·罗公司与国家燃气轮机研究院联合进行了风扇发动机的可行性研究,并于1946年提出了结构设计方案,后又进行了一系列改进。1948年,罗·罗公司设计了推力为41.2千牛的涡扇发动机原型机RB-80。在此基础上又设计了“康维”发动机。“康维”发动机为双轴形式,在低压压气机出口处,气流分成两个部分,一部分进入外涵道,一部分通过低压压气机进入燃烧室,形成了前风扇后双涵道发动机。“康维”发动机后来又经过多次改进,于20世纪50年代末被波音707等客机采用。在“康维”发动机的基础上,罗·罗公司又研制了经济性与安全性更好的“斯贝”发动机,被“三叉戟”等著名飞机采用。涡扇发动机经济性好、噪音低,目前广泛用于大型客机上。
罗·罗公司的“康维”涡扇发动机
1946年
英国提出动力调谐概念 动力调谐陀螺就是挠性陀螺。与常规机电陀螺不同,挠性陀螺虽有高速转子,但无轴承支承,因而消除了摩擦力。其挠性支承采用“虎克接头”、叉簧、片簧、柔性杆等。这种支承具有无磨损、无游移、无润滑等特点,因此结构简单、零件少,容易制造,对环境要求低,成本低,精度也能满足常规要求。1946年,英国首次提出动力调谐陀螺的概念。美国的辛格-基尔福特公司从1958年起投入大量精力进行研究,于1961年获得设计专利,1967年交付空军第一套挠性陀螺惯导系统。20世纪70年代服役的飞机装备的惯导系统曾广泛采用干式挠性陀螺。
动力调谐陀螺结构图
F-84型战斗机的原型机首次试飞 随着美国成功研制出喷气式飞机,多家公司进入喷气领域。共和公司研制出了F-84型喷气战斗机,1946年2月28日首次试飞。该机研制成功,与通用电气公司在发动机上取得的成果密不可分。从1941年起,通用电气公司蒸汽轮机分公司开始为海军研制涡轮螺旋桨发动机。由于在压气机和燃烧室方面缺乏经验,初期进展十分缓慢。后来在英国惠特尔型发动机的启发下,研制人员提出了复合筒形燃烧室的概念,研制了直流分管燃烧室。1943年,通用电气公司对发动机的燃气发生器部分进行了首次台架试验,输出功率为895千瓦。后来,研制人员将该发动机改进成轴流式喷气发动机,1944年进行首次试用,推力达到17.8千牛。共和公司在研制新型战斗机时,选中了这台性能优异的发动机。F-84型战斗机的最大速度为每小时1 059千米,航程2 640千米。它有多种改型,共生产了8 000架,曾大量用于美国及其盟国。它还是第一种能携带核武器的喷气式战斗机。
苏联第一种喷气式飞机试飞 苏联发动机专家留利卡(Архип Михайлович Люлька,1908—1984)从1936年开始研制涡轮喷气发动机。1941年,部件研制基本完成,正当准备整机装配和试验时,德国大举进攻使这一项目被迫中止。一年以后,研究活动又重新展开,但规模一直不大,直到战争结束前,苏联也没有研制出自己的喷气式发动机。二战结束后,苏联开始利用缴获的资料和设备,仿制成功德国尤莫004和BWM喷气发动机。1946年4月,这两种发动机被分别装在雅克-15和米格-9型战斗机上,于24日同一天试飞成功。苏联从仿制外国喷气发动机很快就过渡到自行研制阶段。
雅克-15型战斗机
米格-9型战斗机
康维尔B-36型轰炸机的原型机试飞 二战结束后,美国继续发展大型轰炸机。康维尔公司研制的B-36型轰炸机是当时起飞质量最大的飞机,采用奇特的混合发动机,装有6台活塞式发动机和4台喷气式发动机。该机于1946年8月8日进行首次试飞。飞机翼展70.14米,机长49.4米,最大起飞质量186吨,最大载弹量39吨,最大平飞速度每小时706千米,航程12 070千米。它还装有10门机炮。B-36型有多种改型,但总生产量不大,仅有380架。
康维尔B-36型轰炸机
苏联著名直升机设计师卡莫夫
苏联卡莫夫直升机设计局成立 二战后,苏联非常重视直升机的研制。卡莫夫设计局主要进行直升机研制,由卡莫夫(Николáй Ильич Кáмов,1902—1973)领导,其产品名称全都以Ka或卡字开头。与米里设计局主要研制常规布局直升机不同,该设计局设计的直升机几乎全都采用同轴反转螺旋桨。首个产品是用一个摩托车的27马力发动机推动的Ka-8型直升机。Ka-8型是采用同轴反转螺旋桨直升机,好处是无需安装尾桨和尾减速器,可以节省在陆地上或军舰上的存放空间。卡莫夫设计的直升机一直是苏联(俄罗斯)武器直升机和海军多用途直升机的典型代表。
1947年
美国航空咨询委员会的高速风洞
美国建成第一座开槽壁式高速风洞 高速气流的壅塞现象使近音速流难以达到。德国在二战时期建造了一座达到壅塞速度的高速风洞。1947年,美国兰利实验室科学家发明了带有开槽壁的跨音速风洞,可以消除壅塞现象,提高实验速度。航空咨询委员会据此研制成第一座试验性开槽壁式高速风洞,产生了近音速流,为发展跨音速风洞奠定了基础。该风洞共开了8条缝,开闭比为12.5%,能进行从高亚音速到低超音速整个跨音速段的试验。这是战后气动技术的一项重要进展。1950年,美国康乃尔航空实验室建造了一座开孔式跨音速风洞。随后,阿诺德中心用孔轴线斜于气流30°方向的斜孔壁代替了垂直于气流的直孔管,进一步提高了性能。目前,世界上最大的两座跨音速风洞是美国兰利中心的4.88米缝壁式跨音速风洞和阿诺德中心的4.88米斜孔壁式跨音速风洞。这两座风洞消除了壁面上的自然激波,保证了试验段气流的均匀性。
美国兰利中心的大型跨音速风洞
玻璃纤维制成的复合材料
理查德·扬[美]发明复合材料 1947年,美国科罗格公司(Kellogg Brown & Root)工程师理查德·扬(Richard Young)在一次实验中,偶然地将玻璃纤维与环氧树脂混合在一起,结果成功地得到一种奇特的材料,从此揭开了航空材料历史的新篇章。这种全新的材料具有玻璃纤维与环氧树脂单一组分所不具备的新性能,这令他惊奇不已。这一新发现当时无法进行解释。直到1960年,美国宇航局刘易斯研究中心材料科学家麦克唐奈尔(David L.McDanels)、杰克(Robert W.Jech)、魏顿(John W.Weeton)等人发展了纤维增强理论,对这种新材料的性能和行为进行了圆满的说明,并把它称作复合材料。复合材料目前在各工业和工程领域都有极为重要的应用价值。
直升机开始广泛投入实际应用 直升机具有飞机所不具备的特殊能力,如悬停、垂直起飞、倒飞等,因此,它的应用潜力和价值十分明显。德国最先将直升机投入实际应用。20世纪40年代初,德国使用Fl-282型直升机在近海地区进行侦察。二战末期,德国还研制了最早装备武器系统的Fa-223型直升机,准备用于对地攻击任务。美国西科尔斯基公司在1942年研制出了第一种用于军事目的的直升机XR-4,用于执行观察和空中救护任务。1944年4月21日,美国利用这种直升机在缅甸丛林中成功地搜索营救出一名美国飞行员和三名英国伤员。1946年,美国开始用直升机进行航空邮政业务试验,取得了成功。1947年5月,洛杉矶航空公司获得了美国民航局颁发的临时许可证,允许其开办定期航空邮政业务,标志着直升机正式投入使用。英国最早则是尝试把直升机用于航空客运业务。1950年6月1日,英国欧洲航空公司用S-51型直升机正式运送第一批旅客。
美军装备的R-4型直升机
勒杜克研制的冲压发动机飞机
冲压喷气发动机研制成功 空气喷气发动机方案出现后,工程实践上的一个关键问题是如何使空气增压后再进入燃烧室。20世纪20年代后期,有人设想可以预先使气流获得高速,然后再进入燃烧室,具体措施是先使燃烧室(飞行器)获得一定的速度,相当于涡轮喷气发动机取消了增压涡轮。1929年,法国工程师勒内·勒杜克(René Leduc,1898—1968)较早开始进行冲压发动机试验,1947年研制成功冲压发动机。1949年冲压发动机进行飞机装机飞行试验,采用的母机是朗圭多克,由它携带升空后投放进行自主飞行。1942年,奥地利工程师桑格尔(Eugen Sänger,1905—1964)和德国福克-沃尔夫公司设计师帕伯斯特(Otto Pabst,1911—1998)[德]也开始研究冲压发动机,并在飞机上进行试验,未取得成功。20世纪40年代,冲压发动机的研制达到高潮。美国马夸特公司研制成功冲压发动机,于1947年在洛克希德公司的P-80型飞机上试验成功。
F-86型“佩刀”式战斗机原型机首次试飞 二战后,飞机气动设计技术趋于成熟 。1944年,北美航空公司开始研制F-86型战斗机,这是美国第一种实用型后掠翼喷气式战斗机,1947年10月1日进行了首次试飞。它采用下单翼布局,机翼和尾翼都有大后掠角;采用一台J-47型涡轮喷气发动机,推力26.5千牛;其最大允许时速为1 100千米,巡航速度为850千米,作战半径为745千米。它在朝鲜战场上与同级别的米格-15型战斗机恰逢对手。它是生产量最大、应用最广的喷气式战斗机之一,各种改型共生产了11 400架。
F-86型“佩刀”式战斗机
B-47型后掠翼轰炸机
波音公司制造的后掠翼轰炸机B-47型试飞 美国科学家琼斯在1945年提出后掠翼理论。当了解到德国在后掠翼飞机设计上的进展后,美国立即停止了大型平直机翼轰炸机的设计,提出后掠翼轰炸机设计方案,促使制订了研制B-47型中型轰炸机的计划。它由波音公司于1946年开始研制,1947年12月17日首次试飞。它是美国第一种后掠翼轰炸机,安装了6台J-47涡轮喷气发动机,单台推力26.7千牛。其最大起飞质量100吨,最大速度每小时965千米,航程8 500千米,载弹量10吨。到20世纪60年代退役时,B-47型各种改型共生产了2 300架。
米格-15型喷气式战斗机
苏联米格-15型喷气式战斗机的原型机试飞 1947年,苏联通过贸易谈判从英国购买了25台“尼恩”和30台“德温特”发动机,并立即着手进行仿制。经过一年多的努力,克里莫夫设计局仿制成功“尼恩”发动机,定名为PД-45。1949年,发动机开始成批生产。苏联第一代后掠翼战斗机米格-15最初直接采用“尼恩”发动机,首次飞行时间是1947年12月30日。米格-15的生产型采用仿制的发动机。它的最大速度每小时1 080千米,作战半径300千米,转场航程1 920千米。各型米格-15是苏联等社会主义国家应用最广的喷气式战斗机之一,在朝鲜战场上有出色表现。各种改型共计生产了16 500架。
苏联第一种喷气式轰炸机伊尔-22试飞成功 图波列夫设计局1947年研制了苏联第一种投入生产的喷气轰炸机图-12,但应用不广。伊柳辛设计局则设计了苏联第一种喷气式轰炸机伊尔-22,并于1947年7月24日进行首次试飞,但由于存在设计问题而放弃。尔后又研制了伊尔-28轻型轰炸机,用于对前线目标和水面舰只进行战术轰炸。中国曾经较大批量地仿制过伊尔-28,定名为轰-5。
伊尔-28轻型喷气式轰炸机
1948年
德雷伯[美]领导研制出全惯性导航系统 为适应远程飞机导航的需要,德雷伯领导研制了“斯佩尔”(意为空间惯性参照装置) 全惯性导航系统。该系统采用液浮陀螺,于1948年试制成功。1953年2月,该系统进行了首次横穿美国大陆的全惯性导航装机飞行,全程共4 000千米,误差仅16千米。这次飞行表明,惯性导航系统完全适用于飞机。1958年3月,性能好、尺寸小、质量轻的小“斯佩尔”系统做了一次横贯美国大陆的成功飞行。1958年,美国海军“鹦鹉螺”号潜艇依靠惯性导航系统在水下航行21天,成功穿越了北极,显示了惯导系统的巨大价值。后来,惯性导航系统广泛用于各种飞机、潜艇和航天器上。
德雷伯实验室研制的船用惯导系统
美国海军“鹦鹉螺”号潜艇
第一种实用型三角翼战斗机问世 后掠翼概念提出后,人们又认识到三角翼也具有提高临界马赫数的功效。美国通用动力公司的康维尔分公司根据三角翼设计思想,开始设计XF-92A型三角翼战斗机。它没有尾翼部件,结构简单。它在1948年6月9日试飞时,曾达到M0.95的最大速度。这是世界上第一种实用型三角翼战斗机。
XF-92A型三角翼战斗机
苏联伊尔-28型轰炸机首飞 由于伊尔-22型轰炸机存在设计问题,伊柳辛设计局又研制了一种喷气式中型战术轰炸机伊尔-28(Il-28),于1948年7月8日进行了首次试飞。它也是苏联第一种大批量生产的轰炸机。由于其设计十分成功,除苏联外,中国也在取得许可证后大量制造,称为轰-5。该机为常规布局,两台克利莫夫喷气发动机(仿制的尼恩发动机)置于平直机翼的下方。投弹手位于玻璃机头内,在机尾装有两门机炮的自卫炮塔。与西方同期生产的轰炸机相比,苏联的这款设计比较保守,与二战时期轰炸机的设计相似,唯一较为新颖的设计是带后掠的水平尾翼以及水泡式座舱和弹射座椅。伊尔-28型轰炸机的总产量超过6 700架。
“子爵”号涡桨式客机
世界第一种涡轮螺旋桨客机首次试飞 英国在20世纪40年代初规划未来运输机方案时,维克斯公司提出了一种采用普通活塞发动机来制造飞机的方案。涡轮螺旋桨式发动机问世后,该公司修改方案,采用新型涡桨发动机,生产出“子爵”号涡桨式客机,设有32个座位。“子爵”号涡桨式客机的原型机于1948年7月16日首次试飞。但是,航空公司却取消原来的订货,转而订购活塞式客机。于是,维克斯公司将“子爵”号加长,增加到64座。这种改型受到航空公司的欢迎。1950年,“子爵”号正式投入使用,取得很大成功。“子爵”号是世界上第一种实用型涡桨式客机,生产一直持续到1971年,订货量超过560架。
萨伯J-29型战斗机
瑞典萨伯J-29型后掠翼战斗机首次试飞 北欧的瑞典十分重视作战飞机的研制。萨伯公司研制的J-29型战斗机是欧洲第一种投入服役的后掠翼喷气式战斗机,其原型机于1948年9月1日首次试飞。该机机身短粗,装有一台涡喷发动机,最大起飞质量为8 375千克,最大飞行速度每小时1 060千米,转场航程2 700千米。J-29型战斗机于1951年开始服役,1957年停产,共生产了661架。
1949年
全冲压动力飞机研制成功 法国工程师勒杜克经过长时间对冲压发动机的设计与试验研究,取得了较为满意的成果。于是,他研制出第一架完全采用冲压发动机作动力的S.O.161型飞机,上面安装了他设计的冲压发动机——“勒杜克010”。该机于1949年4月12日进行了成功试飞。试飞方式是在母机携带升空后投放,再点燃冲压发动机,飞机飞行速度达到了每小时725千米,飞行时间12分钟。20世纪50年代初,冲压发动机发展成熟,但主要用于导弹和小型无人机上。
第一架喷气式客机——“彗星”号首飞成功 1942年12月,英国飞机生产部着手规划战后运输机的研制。1943年初形成了几种设计方案,其中一种是能飞越大西洋的喷气推进方案。1942底,德·哈维兰公司提出一种三发喷气式客机设计方案。1944年末,英国海外航空公司要求研制一种专门用于越洋飞行的客机,德·哈维兰公司将原方案修改,采用四台发动机,形成DH-106型“彗星”号客机设计方案。它采用后掠下单翼布局,设24个座位,后增加到36座。这是世界第一种喷气式客机。1949年7月27日,“彗星”号式客机进行了首次飞行。1952年5月,“彗星”号客机正式投入航线使用,它的速度达到每小时788千米。由于结构疲劳问题没有解决,它曾多次发生解体事故,引发人们怀疑喷气客机的实用性,直到波音707型客机问世才确立了喷气式客机的地位。
DH-106型“彗星”号喷气客机
20世纪40年代
压气机“喘振”问题得到解决 高速飞机要求压气机能适应较大的工作范围,但当压气机偏离设计工作点时,就会发生振动,即“喘振”。20世纪40年代为了解决这一问题,先后采用过不少措施,主要有以下三种:一是后级放气,利用阀门根据气流的速度放掉一部分空气;二是在压气机进口设一个能按照工作状态进行调节的导流叶片;三是将压气机分为高低压两个或三个部分,用多个转子使之在不同的转速下有不同的转速比。气体动力学理论的发展和各种防喘振方法的运用,使压气机性能水平不断提高,增压比达到10左右,为提高发动机整体性能水平提供了保证。
通过安装防喘振阀门可以防止喘振
20世纪40年代末
叶栅三元流理论创立 喷气式发动机的发展使压气机全部采用了轴流式。这种形式的压气机迎风面积比较小,可达到较高的压缩比,战后成为各国研究和研制的重点。早期压气机发展中的一个困难是,当质量和尺寸进一步降低时,效率会明显下降。为此,人们开始采用尽可能大的叶型弯度和尽可能小的叶间距离,结果使环绕叶片的气流互相干扰,这说明原来的孤立叶型理论已不适用。为了解决这个问题,很多国家投入了大量人力物力开展气体动力学研究。经过大量系统的研究和实验,霍威尔(A.R.Howell)[美]、卡特(D.S.Carter)[英]和吴仲华(1917—1992)[中]于20世纪40年代末至50年代初相继提出了叶栅二元和三元流理论。这些理论为高压缩比轴流式压气机的设计提供了重要的理论基础。
1950年
波音涡轮轴发动机剖面图
美国研制成功涡轮轴发动机 涡轮螺旋桨发动机的特点是涡轮吸收大部分燃气能量,它本身既通过螺旋桨产生推进力,也有一部分能量直接产生喷气推力。这种发动机的出现,使航空工程师产生了新的设想:能否把燃气能量全部通过螺旋桨输出?美国波音公司发动机部研究人员最先把这一设想变成现实,于1950年研制出第一台涡轮轴发动机。在涡轮轴发动机中,涡轮近乎吸收燃气的全部能量,以轴功率形式输出,带动螺旋桨(旋翼)工作,可以获得较大的推力。后来进一步研究发现,这种发动机对于速度较慢、各种力矩需要平衡的直升机来说非常适用。它的质量较轻,功率可以达到数百千瓦,因而成为直升机的主要动力。
克劳德和泰勒发明碳纤维 美国化学家克劳德和泰勒利用高温方法,制成了硼纤维。这项研究引起美国空军的极大兴趣。空军材料研究所与他们签订了研制轻质、高弹性模量硼纤维的合同。1961年,这种硼纤维研制成功。其性能比玻璃纤维优越得多,只是价格昂贵,几乎与黄金相近。除硼纤维外,另一个发展方向是碳纤维或石墨纤维。其动因是火箭和导弹技术的发展,迫切要求耐高温材料,于是,碳纤维受到材料专家的高度重视。玻璃纤维、硼纤维、碳纤维相继研制成功,为高温复合材料的研制和使用打下了坚实基础。
美国开始以人造丝制造碳纤维 1950年,美国联合碳公司工程师培根利用人造丝及其织物进行了碳纤维及碳织物的工业化生产。与此同时,美国的霍茨于1950年开始探索利用聚丙烯腈取代人造丝,制取碳纤维取得成功。这是一场碳纤维材料研制的革命。利用聚丙烯腈作原料,热处理工艺简单,质量控制也较容易,性能的重现性较好。此后,美国、英国、日本都沿着这个方向进行研究,取得了丰硕成果。随后又发展出碳-碳复合材料(碳纤维增强石墨),高温性能大幅度提高。
飞机机翼上的脱体涡
三维分离理论提出 英国空气动力学家罗特在1950年分析驻点附近的非定常流动时,观察到壁面剪切力为零的点与边界层脱体点并不一致。同年,美国空气动力学家西尔斯(William Rees Sears,1913—2002)在研究更普遍的分离模式时,提出一种设想:非定常分离的特征是,对于以分离速度运动的观察者来说,边界层内剪切应力和速度同时为零。1952—1953年,罗伊(Maurice Roy,1899—1985)[英]和勒让德(Robert Legendre,1921—1994)[法]分别开始从理论上认真研究三维分离问题。英国航空研究院的马斯克尔(Eric.C.Maskell,1913—1989)于1955年从理论上严格推理了三维流动分离问题。这些初步研究表明二维分离模式具有很大的局限性,且二者在某些方面截然不同。在大后掠角情况下,分离流完全敞开,主流空气充满整个空间,自由涡式分离占主导地位。这个锥形的螺旋旋涡已不在翼面上,而是以一定的高度悬在机翼上,因此它又有一个“脱体涡”的称号。脱体涡对产生升力和指导飞机设计有巨大的实践意义。利用脱体涡升力(即涡升力)是飞机气动设计的一次思想革命。它是有别于附着流型的一个产生升力的新流型——脱体流型。理论与实验成果运用于飞机上,英、法成功研制出了协和式超音速客机。
苏联米格-17型战斗机首飞 米格-17型战斗机是一款由苏联米高扬设计局研制和生产的战斗机,其原型机于1950年1月14日首次试飞。它是一架单发动机战斗机,基本型号只有一名飞行员。米格-17型战斗机是基于米格-15型战斗机的经验研制的。该机除了苏联生产外,还授权其他社会主义国家生产。由于其属于亚音速飞机,使用的时间并不长,后来被米格-19型超音速战斗机所取代。中国仿制的米格-17称为歼-5。