飞行者：一战后的飞机结构

第一次世界大战期间的飞机结构科技发展非常迅速，战后由于缺少刺激而使步伐变慢。大战期间各国共生产超过15万架的飞机，大部分使用木材制造，使得木料来源濒临枯竭，大战末期由于杉木缺乏，设计人员只得采用夹板而非实木来设计支柱和翼梁。也由于木材的供应有问题，英国的航空部（Air Ministry）宣布未来英国飞机将采用全金属的设计，不过二战时期英国著名的蚊式战斗机（Mosquito），还是以三合板做为结构材料，该机也是全世界最后一架全木制生产型飞机。

1919年，容克斯把J.10的经验融入单发民用机F.13的设计里。这是一架全金属、铝质波纹蒙皮、悬臂式下单翼飞机，可乘坐两名机组和四名乘客，时速167公里，到1932年底共生产了350架。接着是可乘坐15名乘客，时速278公里，非常成功的Ju 52民航机，并成为纳粹德国空军第二次世界大战时的空运主力。Ju 52是下单翼机，方方正正的机身覆盖铝质波纹蒙皮，看外观就是典型容克斯飞机，机鼻和左右机翼的发动机舱内共安装3具星型发动机。

等待最后组装的F.13

容克斯波纹蒙皮的代表作——Ju 52

美国福特汽车公司（Ford Motor Company）从1926年起也开始生产外型方正、全金属、厚实上单翼、波纹蒙皮、和Ju 52一样3具发动机的“锡天鹅”（Tin Goose）3发飞机（Trimotor），该机可乘坐12名乘客、时速232公里。虽然福特和容克斯的波纹蒙皮非常耐用，但蒙皮事实上承受的负载很少，却产生不小的风阻，以结构效率而言这种设计没什么前途。

同样是波纹蒙皮三发的福特“锡天鹅”

1916年，一位二十多岁热衷于飞机的年轻小伙子诺斯洛普毛遂自荐加入加州圣芭芭拉，由劳黑德兄弟创立才一年的劳黑德飞机制造公司，他最初负责设计F-1（Flying Boat No.1）的机身外形，接着则设计翼展长达22.86米的机翼。F-1是一架双发、可乘坐10名乘客的双翼水上飞机，也是当时全世界最大的飞机，1918年3月28日由阿伦进行首飞。

坐在F-1水上飞机座舱中的劳黑德兄弟，左边是马尔科姆，右边是阿伦

F-1的飞行性能非常优越，美国海军也有所耳闻。阿伦应海军的要求把飞机飞到圣地亚哥的北岛（North Island）进行评估测试，不过美国海军当时才刚订购了寇蒂斯HS-2L（Curtiss HS-2L）水上飞机机，因此在进行了3个月的测试后，只与劳黑德签约制造两架改进型飞机，并请他们为海军代工制造HS-2L。

劳黑德F-1水上飞机

一战结束后，军方的代工合约马上取消，公司的生存立即遭遇严重的威胁，但劳黑德兄弟与诺斯洛普仍不气馁，准备生产一种新型大众化的单人双翼小飞机S-1以挽救公司。大概是受到诺斯罗普当初设计F-1船式机身的经验影响，S-1最大特征就是半硬壳式机身。

劳黑德S-1运动飞机

S-1硬壳机身的制造模具劳黑德的S-1机身也和“竞赛者”号一样采用两片式接合制造，不过这两片壳状半机身是由三层杉木条在混凝土模子内靠模成形，然后只需20分钟就能定位并高温胶合，机身外形有如子弹，气动效率非常好。S-1于1920年首飞，但没卖出半架，这不是S-1不够好，而是当时市场上充斥着一大堆战时生产的飞机，不论新旧正贱价抛售。劳黑德公司因此关门大吉，诺斯罗普也跳槽到位加州圣塔莫尼卡的道格拉斯飞机制造公司（Douglas Aircraft Company）。劳黑德公司歇业后，对航空工业仍然满怀热情的阿伦于1926年在好莱坞创立了洛克希德飞机公司（Lockheed Aircraft Company），并立即邀请诺斯洛普返回公司任职，共同设计生产一架全木制7座单发小飞机、具有6.35毫米厚木板制造的半硬壳式机身、超流线外形、全封闭式客舱、悬臂式上单翼。这架飞机被诺斯罗普命名为“织女星”（Vega），巡航速度每小时287公里，该机于1928年7月4日首飞，很快就成为成功的商务客机。“织女星”之所以能在飞机结构发展史上占据特别重要的地方，是因为该机证明了在提供相同机内空间的情况下，半硬壳式机身结构能比传统的衍架式设计减少35%横截面面积，因此降低了风阻，减轻了飞机的重量，让飞机有更好的性能、载运更多的旅客。“织女星”的成功设计很快就在全世界流行开来，也影响了大型运输飞机的设计理念。

第一架“织女星”NX913

“织女星”的硬壳机身

1929年诺斯罗普离开洛克希德，自己成立了一家诺斯洛普飞机公司（Northrop Aircraft Company），探索应力蒙皮结构的应用，而洛克希德则沿用“织女星”的设计继续制造飞机。1931年洛克希德推出的“猎户座”（Orion），基本上就是把“织女星”改为下单翼布局，因此可以使用较轻较短的起落架，收起时可放进厚翼根内。“猎户座”是第一架使用可收放式起落架的民航机，因此虽然和“织女星”使用相同的550马力星型发动机，巡航时速却快92.6公里，事实上每小时370公里的巡航速度已比当时大部分战斗机的速度还快。从此之后，流线型半硬壳机身、悬臂式下单翼、可收放式起落架就成为飞机的标准构型了。

洛克希德“猎户座”率先采用了可收放起落架，大大降低了飞行阻力

诺斯罗普离开洛克希德后做的第一件事就是制造一架很像飞翼的飞机，这架于1929年完成的实验性飞机翼展长达9.14米，机翼厚度由翼尖向翼根处逐渐增厚，机翼中线处并排安置两个开放式座舱，机翼中央有一类似机身的凸出结构用来安装发动机，两根细长的尾撑用于安装机尾控制面。这架飞机的外型虽然是当时首创，但仍属铝质半硬壳式结构，诺斯罗普以该机来测试如何造出更有效率、更轻的金属飞机，例如：这架飞机没有传统的翼梁，而代以弦线方向间隔38.1厘米向全翼展延伸的6片垂直抗剪腹板（shear web），腹板的顶端和尾端弯折90度以提供加强条的功能，腹板和机翼外蒙皮在此以铆钉铆接。

诺斯罗普1929年试验飞翼，为了保险起见还是保留了尾翼

继这架飞机之后，诺斯洛普公司在20世纪40年代到50年代之间，陆续研制了N-1M飞翼（flying wing）以及相同外型的XB-35和YB-49，最终则是在1989年首飞的全复合材料隐身轰炸机B-2。

N-1M飞翼开创了诺斯罗普的飞翼帝国

虽然诺斯罗普的飞机只是实验性质，但诺斯洛普公司迅速在1930年推出了“阿尔法”（Alpha），这是第一架以平头铆钉接合（flush-riveted）的全铝、光滑外表面、半硬壳机身，以及全铝多室机翼（multicellular wing）的生产型飞机。它可乘坐6名乘客，下单翼、安装一具星型发动机、外覆由美国国家航空顾问委员会（NACA）设计的减阻发动机罩。

外表光滑的诺斯罗普“阿尔法”

多窝状机翼结构是诺斯罗普当年任职于洛克希德公司时所研制的，在这种设计里，机翼蒙皮可承受弯矩、压缩、拉伸负载，而不需翼梁的上下缘条（spar cap）。这种应力蒙皮的设计方式也成为20世纪30年代的标准，除了应用在诺斯洛普公司本身的飞机外，道格拉斯公司飞机和波音经过稍微修改后，都应用到各自的DC系列和B-247飞机上。

去掉蒙皮的“阿尔法”机翼，取消了传统的盒形翼梁，用翼肋和多翼梁纵横交错，形成许多小腔室

在之前的飞机设计中，金属仅是木头的替代材料，飞机设计方式并没有因此创新，“阿尔法”宣告了这种设计方式的结束。从20世纪30年代初期开始，单翼、全金属、半硬壳、应力蒙皮成为标准设计，配合价廉高强度铝合金的研制，以及发动机和螺旋桨设计的进步，这种设计方式成为时代趋势。

虽然在第二次世界大战开始时，许多国家的军用飞机仍坚持双翼构型，但在20世纪30年代，全金属半硬壳单翼的设计理念也扩展到军机上。美国在1932年3月推出了第一架单翼战斗机——波音的P-26“玩具枪”（Peashooter），时速370公里，采全金属、铆钉接合、开放式驾驶舱、固定式起落架、单发动机、以及与B-247相同的发动机罩，机翼因为有外拉钢线所以不完全是悬臂式。真正的第一架悬臂式单翼战斗机在3个月后出现，这就是于1932年6月首飞的法国德瓦蒂纳D-500。这架飞机和P-26一样采用固定式起落架、开放式驾驶舱、V12水冷式发动机，性能大致相仿。1933年苏联出现时速达500公里的波利卡尔波夫I-16，这是第一架悬臂式机翼可收放式起落架的战斗机，机翼采用全金属翼梁，但外表面覆盖粗棉布，安装在木头硬壳式机身上。第一批全金属、铆钉接合、半硬壳式机身、下单翼、可收放式起落架、封闭式座舱的战斗机是1935年4月出现的美国寇蒂斯公司的霍克75A/P-36、5月出现的德国Bf 109、以及8月出现的美国P-35。

寇蒂斯霍克75A/P-36现代民航飞机结构的诞生

第一架全金属，具备一切现代民航客机（除螺旋桨发动机外）特点的商用单翼机是1930年波音公司的单发邮政机（Monomail），波音根据这架飞机的半硬壳式机身和应力蒙皮设计，在1931年为美国陆军航空部研制了双发动机轰炸机的原型机YB-9。

YB-9轰炸机

由于美国陆军未将YB-9投产，波音与它的商业伙伴联合航空（United Air Lines）经过慎重考虑后，在1932年以B-9构型为基础研制了体型稍小的商用机型，这就是于1933年2月首飞的B-247。这架在结构设计史上翻下新篇章的飞机是架具有全金属、应力蒙皮结构、全包覆式机舱、橡胶除冰靴、配平片（trim-tab）、流线型发动机罩、自动驾驶仪、下单翼、可收放式起落架设计特点的飞机，只凭一台发动机也能飞行和爬升。也就是说B-247是第一架“现代化”的民航机，之后的每一种民航机都是在模仿它的特点。这架飞机虽然只能乘坐10名旅客，但飞行时速比福特的三擎机快上56公里，可在24小时内飞越美国本土，因此极富商业竞争力，广受各家航空公司的欢迎而供不应求。但飞机的机身较低矮，旅客在机舱内要弯腰前进，还得跨过突出于地板上的机翼后梁。

波音247是划时代的民航机

由于波音的生产线无法满足航空公司的订单，道格拉斯公司乘势崛起，迅速推出后来名噪一时的全金属、下单翼、双发动机、可收放式起落架DC（Douglass Commercial）系列客机。可乘坐12名旅客的DC-1首飞于1933年，只比B-247晚了五个月。DC-1的机翼翼梁在机舱地板的下方，因此舱内地板平坦，空间较宽阔，旅客不需弯腰。1934年道格拉斯公司接着推出了机体较长，可乘坐14名旅客的DC-2；1935年则是推出了可乘坐21名旅客的DC-3。

DC-3的性能、有效载荷、坚固性使得航空公司真正开始能从民航运输中赚取利润，因此到了1940年就成为全世界航空运输业使用最多的飞机。DC-3是第一架能通过运送旅客及货物，不需政府补贴就能赚钱的民航机，到第二次世界大战结束时，共生产了1万1,000多架，是全世界到目前为止单一机型生产量最多的飞机，其中大多数是军用型的C-47。

DC-3是第一架能通过运送旅客及货物，不需政府补贴就能赚钱的民航机

DC-3划时代的成功，归功于同时具备了可收放式起落架、NACA设计的发动机罩（B-247的发动机罩由波音自行设计）、襟翼（B-247没有襟翼）、高效率增压发动机、变距螺旋桨。DC-3机翼内有三根主梁而非常见的两根，增加了机翼的耐用度，使得飞机结构具有安全性损坏（fail-safe）特性，疲劳寿命很长。DC-3具备了一切铝合金半硬壳结构的特点：成形后的铝蒙皮以铆钉和机体、纵梁、翼肋、翼梁、加强条、成形条相互铆接。现今最新式的C-17“环球霸王”（Globelmaster）运输机，翼展50.29米，最大起飞总重265吨，但机翼结构却和翼展28.96米，最大起飞总重11吨的DC-3基本一样，都是三翼梁、多翼肋、应力蒙皮的设计。可以这么说：DC-3之后的飞机和DC-3之间只有细节的差异，基本设计理念没什么不同。

DC-3的三翼梁机翼二战时期飞机结构

除了少数外，二战时期出现的战斗机和轰炸机大多是半硬壳式结构，材料大多是铝和钢，例外之一是当时颇富盛名的英国“蚊式”（Mosquito），这是一种时速667公里、双发上单翼的战斗轰炸机，于1940年11月首飞。“蚊式”是架轻重量、敏捷的全木制飞机，机身为两层杉木夹板中间夹轻质木料构成的硬壳式结构，这是历史上三明治结构（sandwich construction）的首次应用实例之一。到1950年为止，“蚊式”共生产了780架，是最后一种生产型全木制飞机。

来源：冬天的猫咪有点懒