飞机机翼的结构问题及其影响

10年间，飞机已从不可能实现的目标发展成重要的军用武器，但这几乎与科学无关。研发飞机的先驱者常常是有天赋的业余爱好者和了不起的运动员，但他们中极少有人具备相关的理论知识。像现代汽车的狂热爱好者一样，他们通常更感兴趣的是闹哄哄且不可靠的发动机，而非支撑结构，他们对后者所知甚少，也不大关心。当然，如果你充分加热发动机，几乎能将任何飞机送上天。而飞机能否留在空中则取决于控制、稳定性和结构强度等问题，从概念上看它们很难实现。

早年间，有太多像罗尔斯和科迪这样的勇者为此付出了生命的代价。空气动力学的理论基础是兰彻斯特（F.W.Lanchester）于19世纪90年代奠定的，但实干家对他谈论的东西几乎没有什么认识。^[5]在先驱们看来，许多事故都归因于失速和尾旋，但结构故障问题也很普遍。因为早期的飞行员几乎不使用降落伞，所以这些事故通常会致人死亡。

人们对可靠的轻量工程结构的需求是近年来才有的。一架飞机的机翼受弯曲力的作用，非常像一座桥。因为这显而易见，也因为在桥梁建造方面有许多先例可循，所以我们一般可以安全地应付弯曲载荷。但我们常常忽略的是，一架飞机的机翼还要受到较大的扭转力或拧转力的作用。如果放任这些扭转，机翼就会被扭断。

1914年，“一战”爆发后随着军事飞行的扩张，事故率成为一个严重的问题。幸运的是，英国法恩伯勒的几个才华横溢的年轻人找到了应对这个问题的办法，他们就是后来闻名于世的切威尔勋爵（Lord Cherwell）、杰弗里·泰勒爵士（Sir Geoffrey Taylor）、亨利·狄泽德爵士（Sir Henry Tizard）和绰号为“耶和华”的格林（“Jehovah”Green）。在他们的努力下，传统的双翼飞机到1918年时成为最安全的结构之一，并且被视为几乎牢不可破。但德国人就没那么幸运了，他们的飞机技术部门在那个时期以保守著称。不管怎样，他们经历了长时间的结构性事故，其中许多都归咎于未能理解飞机机翼上的扭转难题。

1917年年初，协约国集团在西部前线取得了一定的空中优势，部分归功于其战斗机的技术品质。然而，在此期间，杰出的设计师安东尼·福克（Antony Fokker）开发出一种先进的单翼战斗机——福克D8（Fokker D8），其性能优于协约国一方既有或预装的任何机型。由于战术局势紧张，D8机型的生产被加快，而且未经充分试飞就列装了几个精锐的德军战斗机中队。

但D8刚一投入战斗就被发现，当空中格斗的战机因俯冲而受牵拉时，机翼会发生脱落。许多人因此丧生，其中包括那些最优秀且最有经验的德军战斗机飞行员，于是这引起当时德国人的严重关切。即便是如今，研究造成这个麻烦的缘由也具有启发性。

那时候，大部分飞机都是双翼机，因为这种形式的构造更轻也更可靠。但是，对于给定的发动机功率，单翼飞机通常比双翼飞机速度更快，因为前者不必承受额外的空气阻力，该空气阻力源于发生在两个相邻机翼装置间的气动干扰。因此，人们非常希望发明家能建造单翼战斗机。纵然许多失败的原因尚未得到解释，但自从1903年由萨缪尔·兰利（Samuel Langley）设计的名垂青史的机型在飞越美国波托马克河时发生机翼崩塌事故之后，单翼飞机就在结构上被认定为不可靠了。

像那时的大多数单翼飞机一样，福克D8的机翼也采用了布蒙皮。布蒙皮的用途只是提供飞机所需的气动外形，它仅在内部结构框架上伸展，自身不承担任何主要载荷。承载主要弯曲载荷的是两根平行的木制翼梁或悬臂梁，它们从机身伸向两边。两根翼梁每隔几英寸就要靠一系列轻质锥形木翼肋来连接，布蒙皮附于其上（见图12-10）。(www.xing528.com)

随着D8事故的消息传播开来，德国空军的有关部门便顺理成章地下令进行结构测试。按当时的习惯，需要将一架完整的飞机颠倒过来安放在测试架上，机翼上负载成堆的子弹袋，以便模拟飞行中出现的气动载荷。当用这种方法做测试时，机翼未显示出脆弱的迹象，只有当载荷达到飞机总装载重量的6倍时才会发生损坏。虽然如今的歼击战斗机的要求载荷相当于自重的12倍，但在1917年，6倍就已经足够了，而且几乎可以确定的是，这种载荷比当时最恶劣的战斗条件下的载荷还大。换句话说，飞机应该是绝对安全的。

图12-10　有布蒙皮的单翼飞机机翼

然而，对于D8机型，当在测试台上最终发生结构性坍塌时，可以看到故障是从两根翼梁中的后一根开始发生的。因此，为确保万无一失，有关部门下令所有福克D8的后翼梁都要替换成更粗且更强的。不幸的是，这导致事故变得更频繁了。于是德国航空部不得不面对现实，靠附加更多结构材料来“强化”机翼，结果却使机翼变得更脆弱。

至此，安东尼·福克越发意识到他从官方那里得不到多少实在的帮助。因此，他在自己的工厂里亲自监督给另一架D8加载。这一次，他小心地测量了机翼负载时产生的挠度。他不仅发现机翼负载时的弯曲挠度变形（即当飞机因俯冲而受到牵拉时，翼梢会相对于机身上翘），还发现即便没有施加明显的扭转载荷，机翼也会发生扭转。尤其重要的是，这个扭转的方向使机翼的气动迎角或攻角显著增加。

福克整晚都在琢磨这些结果，并突然想到了D8事故及诸多其他单翼飞机故障的解决方案。当飞行员向后拉操纵杆时，机头前端抬升，机翼上的载荷也随之上升。但与此同时，机翼发生扭转，致使机翼上的气动载荷不成比例地上升。所以，机翼扭转得更多，载荷上升得也更多，直到飞行员无法再控制住局面，机翼被扭断。福克发现了某种被称为“发散条件”的东西，它也是致命的。

那么，从弹性角度来说，究竟发生了什么？