美国军机结构变迁史

文/司古如是说

人们一直都说军用飞机是率先应用革命性设计的产品，但实际情况可能并不完全如此——事实上军用飞机在历史上最先被革命的是它们的机身结构工艺，它们往往是最先应用新型结构工艺的产品。设计者们之所以愿意这样做，是因为他们认为新的结构工艺会让飞机的结构寿命、强度和抗损性更好，同时结构重量还能变得更轻。而这些恰恰是军用飞机与民用飞机最大的不同所在。

飞机结构材料的变迁是一个非常有趣的话题。上世纪30年代，C-47（DC-3）采用的还是铝合金蒙皮的半硬壳结构，而到了90年代，B-2的飞翼已经采用了37%的双结构载荷路径复合材料，V-22“鱼鹰”的复合材料用量更是达到了42%。

说起半硬壳复合结构（木制）机身，那可以追溯到美国洛克希德公司1927年推出的“织女星”（Vega）。这种飞机的结构设计源于马尔科姆（Malcom）和阿兰·洛克希德（Allan Loughead/Lockheed）、诺斯洛普（J Northrop）和斯塔德曼（T Stadlman）的专利（专利号1425113），诺思罗普是这项技术的主要设计者。

“织女星”创造过航空史上的伟大纪录：

但多数人可能会忽视的是，“织女星”所采用的半硬壳结构也创造了历史。这种飞机的结构十分独特，是利用特制的模具将云杉条粘接在一起，模具外框为混凝土预制件，内部配合充气式橡胶囊，可以对内部的云杉框架施加适当的紧固力。构成“织女星”的机体机构分为三层，中间一层是按照圆周方向排布的0.06英寸（约1.5毫米）厚杉木条，内外各敷设一层沿长度方向布置的0.04英寸（约1毫米）厚的杉木条。这种结构强度较好，可以很大程度上降低隔框的厚度和尺寸。

硬壳结构的出现，要感谢一位叫做的路易·比彻（Louis Bechereu）的法国人——他在1912年为德珀杜辛（Le Monocoque Deperdussin）单翼机制造机身时，率先采用了一种新方法，他利用模具将三层0.06英寸厚的郁金香木粘接在一起，第一层纵向铺设，第二层按顺时针螺旋铺设，第三层逆时针螺旋铺设。有人认为全木硬壳结构是瑞士人Ruchonne在1911年设计的，但该结构直到1912年才得以在Deperdussin上应用。此后这种方法在欧洲扩展开来，德国信天翁公司从1916年起开始制造三层木板胶合的硬壳式机身。后来，经过仔细研究德国信天翁D.Va双翼机的结构，洛克希德公司开始借鉴这种结构方式。最终1918年诺思罗普在制造洛克希德S-1型运动机时首次采用了利用模具粘接的复合层板机身。

在一个相当长的历史时期，木材始终是飞机制造的重要材料，虽然金属已经逐渐进入飞机制造领域，这其中有一个不难理解的重要原因：木材属于非战略物资，其“储量”和获得远比金属容易。二战期间英国德哈维兰公司出品的“蚊”式飞机就是云杉和轻木制造的半硬壳式经典之作。直到战后，德哈维兰仍然在继续制造木制飞机。

1930年，诺思罗普公司开始采用铆接铝材来制造“阿尔法”（Alpha）飞机。该机的机身采用平头铆钉铆接的铝制半硬壳结构，翼盒采用硬化铝蒙皮，蒙皮铆接在抗剪切力腹板上，这样在就不再需要大量隔断式的肋板，使得机翼结构重量显著降低。诺思罗普的铆接铝设计把机翼蒙皮作为承力结构的一部分，可以抵抗弯曲、挤压和拉伸负载。这种结构也被应用于诺思罗普的“德尔塔”（Delta）和“伽马”（Gamma）两种飞机。该设计经过小幅改进后，又被用于道格拉斯DC-1、DC-2和DC-3等飞机。

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利用拉伸铝蒙皮作为机翼蒙皮的设想，最早来自1920年的阿道夫·罗巴赫（Adolph Rohrbach）。曾有人用形容林肯的经典语句来描述可靠的多面手军用版——C-47“天空列车”：“朴素诚实的秉性、单纯谦逊的出身，早年认真地锤炼和磨砺，其能力和表现超出了父母的梦想。”从1935年到1946年，道格拉斯DC-3/C-47总产量达到了10654架，据估计今天仍有近1000架在使用。随着DC-3的成功，铆接硬化铝蒙皮-桁条/框架结构开始成为最主要的飞机结构方式。

诺思罗普开创和推广的这一结构使用历史已经超过了80年。但一个不能忽略的事实是，现代飞机的机身已经很难再称作是严格的半硬壳结构，因为现代飞机的蒙皮上设计了许多检修口盖，机身内还有许多高载荷框架和隔框来抵抗大部分气动载荷。

许多年来，强化应力蒙皮/框架概念有了不少变化，但是飞机大多数部位仍然以由承力框/开口部位加强框支撑的强化蒙皮板作为主流结构方式。此后又陆续出现了新的变化：屈服后板受力场设计、三明治结构、一体化强化结构、单元式结构。屈服后面板设计意味着面板需要承受比屈服载荷更大的载荷。屈服后应力场结构概念最早是也是源自德国人赫伯特·瓦格纳——他在1925年提出这一理论。后来随着金属加工和结构工艺的成熟，这种结构设计被广泛用于近现代飞机，其中包括B-52、B-1B、F-5E和AV-8B。

诺斯罗普公司的飞机中，很多采用了这种结构概念。但也有例外，最为鲜明的例子是维克斯-阿姆斯特朗公司采用的斜网格结构。这种结构主要是杜拉铝金属斜框架外加帆布蒙皮。

1934年出品的维克斯韦尔兹利轰炸机和1936年出品的威灵顿轰炸机都采用了这种结构方式。网格结构方式“非常坚固，能够承受地面防空火力的重度损伤，许多重伤的飞机仍然能够平安返航”。1938年英国帝国航空年鉴上对网格结构做出了这样的评价，称其为“难以断裂的网格系统，该系统能把扭曲力矩分解为许多拉伸和挤压应力。当机翼受到扭转负载时，一个部分网格受到挤压，而其他网格则受到拉伸。因为这些网格在交点处相连接，事实上它们能够彼此抑制形变趋势。而（传统）梁则主要承受弯曲负载。”

上世纪80年代初，戈兹沃西工程公司在设计比奇“太空船”时对复合材料构成的斜网格机翼和机身结构进行了大量研究，但最后并未采用。今天人们仍在对斜向加固的纤维复合材料进行研究，发现这种结构对于低速撞击具有较好的容损性。

三明治式结构是一种新型结构方式，它用轻质蜂窝材料取代了过去的蒙皮加固部件，连接件也换成了强力胶。这样一来，飞机就可以在高应力部位使用很薄的蒙皮而不会弯曲变形。夹层结构在飞机结构中使用了很多年，其实这类结构可以追溯到很早。1924年冯·卡曼和斯托克就在德国申请了夹层结构滑翔机机身专利，1938年法国巴黎国际航展上，也展出了一架采用层板-软木夹层机翼结构的单翼机。这表明，夹层结构出现的动因是为了制造真正硬壳结构的飞机。

几乎所有现代飞机都不同程度采用了夹层结构。早在1938年，德哈维兰公司就在4发客机“信天翁”上采用了层板–轻木夹层结构。二战中著名的德·哈维兰“蚊”式轰炸机机翼部分就采用了粘接木制夹层结构，其机翼蒙皮以不连续的云杉木块为内芯，表层是雪松层板；机身由云杉层板作为表层，轻木作为芯层，结构连接部位则换用整块云杉作为芯层。这种结构十分坚固，抗损能力也不错，但粘接机体在南太平洋地区暴露了许多维护方面的问题。热带生物和潮湿的环境很容易对机体结构产生损害，而日本人使用的金属飞机则显得更皮实。

1964年美国B-70轰炸机使用了钎焊钢制蜂窝夹层结构，使用面积多大22000平方英尺，占机体结构重量的68%。C-5“银河”运输机的机翼前缘、前缘襟翼、翼尖、后缘控制面、货仓地板、发动机短舱等部分都采用了夹层结构，总面积达35000平方英尺。曾打破12项飞行世界纪录的通用动力B-58“盗贼”有一个有趣的外号“粘起来的轰炸机”，其原因就是大量采用了粘接铝夹层结构。

20世纪50年代后期开始三明治铝蒙板应用迅速扩展，90%的机翼和80%的机身外部都被铝基三明治“占领”——蜂窝芯三明治材料被大量用于整个机翼外蒙皮，机身部位则被喷丸硬化和蜂窝夹层面板联合“占领”。

一方面由于铝基三明治材料重量超轻，另一方面因为B-58轰炸机严重“中空”：巨大的燃油舱和弹仓占据了机体下半部绝大部分空间，其结果是承力结构仅占起飞重量的16.5%，如果以空中加油后的重量作为基准，结构重量则下降到14%。轻量化机体设计带来了很大的结构维护问题。美国战略空军司令部就曾经估计，两个联队的超声速轰炸机B-58的维持费用，相当于6个联队的B-52。三明治薄板结构的蒙皮很容易在服役期间因不当处置、踩踏和穿刺等原因受损，需要定期进行费时费力费银子的检查。当然，这也不全是机体结构作祟。B-58的航空电子系统中有超过5000枚真空管和晶体管——维护这些东西也足够让地勤喝上一壶。用通用动力结构主任自己的话说，如果不是B-58提前退役，它的蜂窝三明治夹层结构的维护困难问题也会成为该机勤务保障能力的制约瓶颈。

近30年来复合材料结构取得了很大发展。人们开始将三明治结构与复合材料结合，作为全新的飞机结构材料。1987年9昼夜不加油不着陆环球飞行的“旅行者”飞机就使用了石墨复合材料- 赫式蜂窝三明治结构材料。该机的起飞重量超过结构重量的10倍以上。1989年波音“兀鹫”高空长航时无人机使用了石墨/凯夫拉环氧树脂/高熔点芳香族聚酰胺蜂窝材料，飞行高度达到66980英尺。

与传统的机械加强结构方式相比，粘合蜂窝结构材料的创新点在于它大幅度减少了零部件数量，同时减少了制造成本，这是制造工程师们梦寐以求的结果。自从全金属机体时代开始，工程师们就在想方设法向这一目标跋涉。为此柯蒂斯-莱特公司甚至使用了缝合设备来连接飞机部件，希望能比铆接和点焊方式更能节省时间和成本。有趣的是，今天的三维结构复合材料，也同样使用类似的编织和缝合技术，与100多年前何其相似。

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