探索天空 ： 选定的 NACA 研究飞机及其对飞行的贡献
Curtis Peebles由 Richard P. Hallion 贡献 国会图书馆在出版物中编目数据皮布尔斯 ， 柯蒂斯。探索天空 ： 选定的 NACA / NASA 研究飞机及其对飞行的贡献 / 柯蒂斯 · 皮布尔斯。页面厘米包括书目参考和索引。1. 研究飞机 - 美国 - 历史。 2. 联合国家 — — 美国国家航空航天局 — — 研究。一、标题。 TL567. R47P4349 2015629.133 '3 -- dc232014039331美国国家航空航天局版权所有 © 2014 。本卷中表达的观点是作者的观点 ， 不一定反映美国政府或美国国家航空航天局的官方立场。本出版物可在以下网站免费下载 美国国家航空航天局华盛顿特区 目录3简介 ： 走向和进入未知v第 1 章 ： 面对 “声音屏障 ” ： 贝尔 XS - 1 1第 2 章飞行试管 ： 道格拉斯D - 558 - 1 天花............................................................................45第 3 章 ： 证明席卷之翼 ： 道格拉斯 D - 558 - 2 Skyrocket 85第四章未兑现的承诺 ， 偶然的成功 ：The Douglas X - 3 Stiletto 135第 5 章 ： 多才多艺的极简主义者 ： 诺思罗普 X - 4 矮脚鸡 167第六章变革先锋 ： 贝尔 X - 5 207第 7 章 ： 三角洲的祖先 ： Convair XF - 92A 243附录 ： 第一轮飞机技术规格 280 D - 558 - 2 ， B - 29 发射飞机以及地面支持人员和设备的标志性图像清楚地表明了进行研究飞行的规模。照片是在搬到现有设施之前不久在南基地的 NACA 机库前拍摄的。 （ NASA 照片 ） Introduction5走向和进入未知自莱特兄弟首次飞行以来的几十年中，已经建立了一系列知识和工具，这些知识和工具是在一个小步骤的进化过程中创建的，以指导工程师和研究人员开发新飞机。早期的木质和织物双翼飞机已被全金属单翼飞机所取代。飞机的尺寸，航程和有效载荷也在增长，直到海洋可以在船舶花费的一小部分时间内跨越。速度成为商业和军事行动的关键因素。但是到了 1940 年代初期 ， 速度本身已经成为问题。随着飞机以接近声速的速度飞行 ， 亚音速空气动力学的旧规则不再适用 ， 航空研究的旧工具 - 风洞 - 也不再起作用。因此 ， 工程师缺乏确定其设计是否能承受实际飞行条件的手段。这个新的飞行领域所需的技术，工具和程序彻底改变了空气动力学，推进，结构，设计理论，材料，飞行控制系统，生命支持系统，逃生系统，安全程序，风洞的领域和实践，以及数据收集系统和方法。超音速时代的知识体系被有效地重新塑造和制造。Thomas Kuhn 的术语 “范式转变 ” 现在被广泛用作表达和知识概念 ， 但是 ， 在本世纪中叶的高速革命中 ， 这当然是适当的。在 1903 年赖特首次飞行之后 ， 航空科学为亚音速飞行带来的收益几乎与 1940 年代后期和超音速时代的到来完全无关。转型的引擎是涡轮喷气发动机。它标志着航空一个时代的结束和另一个时代的到来 ， 将人和机器推向了声波鸿沟的速度比以前更快 ， 迫使跨音速和超音速研究人员解决了影响飞机进入这个新的未知领域的谜团。具有讽刺意味的是 ， 尽管正是这种新的推进形式推动了超音速的突破 ， 但涡轮喷气发动机本身还无法将研究人员和飞行员带入足够远的领域来进行他们寻求的重要研究数据。 vi探测天空1940 年代的涡轮喷气发动机是一项新的，仍然不成熟的技术。燃烧室 （ 燃烧器罐 ） 中的温度以及旋转涡轮叶片所承受的温度已接近当代金属外科科学的极限，因此不适合超音速飞行。为了探索超音速状态，研究人员转向火箭飞机，将涡轮喷气发动机降低到较慢的速度。这些涡轮喷气发动机中的一些成为著名的，例如 XS - 1 （ 后来简称为 X - 1，战后 “X 系列 ” 研究飞机中的第一架 ） 。其他人今天鲜为人知 - 但每个人都在将航空从亚音速时代带入超音速时代方面发挥了自己独特的作用。总的来说，这些第一批研究飞机被称为 “第一回合 ”，即 1940 年代和 1950 年代的跨音速和超音速探测器，先于“ 第二回合 ”，即 1960 年代的高超音速北美 X - 15 。这个故事不仅仅是一个奇怪的飞机和他们华丽的试飞员。它还提供了对航空航天技术和科学的历史以及该领域内不断变化的技术和 （ 是的 ） 范式的见解。涡轮喷气发动机和火箭改变了规则。他们一起导致了 X - 1 和其他研究飞机。这些飞机也是为什么一小群工程师来到莫哈韦沙漠的一个巨大的干燥的湖床，在那里建立，可以说，世界上首屈一指的航空研究和发展中心，美国空军测试中心 - 美国国家航空航天局阿姆斯特朗飞行研究中心复杂 （ 和相关的空域 ） 在加利福尼亚州爱德华兹空军基地。用自己的规则和工具创造新时代，是在冷战的动态背景下发生的，迫使并满足了对更高性能的需求。但是在那个时代的开始，由于缺乏可靠的工具来决定什么工作和什么不工作，工程师们几乎没有办法决定他们应该走什么路。从真正意义上讲，他们面临着与莱特兄弟相同的情况，当时他们在 1899 - 1902 年建造了第一批风筝和滑翔机，几乎没有可靠的信息，其中大部分是矛盾和误导的。他们发现几乎没有可用的信息是可靠的。他们发现他们必须拒绝珍贵的假设，并意识到新的现实。他们不得不重新思考稳定和控制的概念。对于试飞员来说，还有更多的东西 ： 由于失败和死亡的可能性是非常真实的，当他们升空时，他们的技能必须与更大的勇气相匹配。知识，奉献精神，专业知识和勇气 ： 这些组合是跨音速和超音速革命的精心制作。半个世纪前在莫哈韦沙漠上空显现。 viii1946 年 1 月在 P - 51 机翼上的半平移飞机模型。在机翼流动技术的改编中 ， 飞机的半比例模型连接到机翼的上表面。当飞机俯冲时 ， 机翼上的气流加速到高跨音速或超音速。 （ NASA ） 1CHAPTER 1当我们接近声速时 ， 机翼的阻力像屏障一样上升。- W. F. 希尔顿11935 年，当英国空气动力学家 W.F.希尔顿无意中创造了 “声屏障 ” 一词，活塞发动机飞机接近其性能峰值，每磅发动机重量产生约一马力。但是，自 1903 年 12 月莱特兄弟在北卡罗来纳州基蒂霍克的首次飞行以来的三十年中，航空工程师已经超越了他们获得的知识。到目前为止，设计师一直将机翼上的气流视为 “无粘性 ” 或不可压缩的流体。这简化了他们的计算，并且由这种方便 （ 如果错误 ） 的假设引起的误差太小而没有意义。随着飞机现在超过每小时 400 英里 （ mph ），空气的可压缩性不再被忽视。但是，工程师和科学家对如何实现所需的革命性变化缺乏洞察力。风洞是自莱特兄弟之前以来空气动力学家的标准工具，几乎没有帮助。当气流接近声速时，冲击波在模型和支撑上形成并反射到隧道壁上，使数据从低于声速的 0.8 马赫到大约 1.2 马赫值得怀疑，刚刚超过声速。虽然隧道可能暗示高速飞行引起的一些流量变化 - 例如，升力的急剧损失和阻力的同时急剧增加 - 但它们无法提供精确的量化数据来进行准确的分析。因此，一个新的飞行领域突然出现了 - 神秘，未知，危险和破坏性。进行高速潜水的飞行员发现，控制面不会移动或效果不大。在某些情况下，他们的飞机会失控或潜入地面。更幸运的是，其他人发现，一旦飞机到达较低的高度，控制装置就会正常响应。“声音屏障 ” 一词概括了这个领域的神秘感。很快，关于超音速飞行的神话就发展起来了。没有科学事实支持的神话获得了关注，其中一些与之接壤。面对 “声音屏障 ” ： 贝尔 XS - 1 探测天空2有些人认为 ， 当飞机 “打破 ” 音障时 ， 飞行员的声音会陷入喉咙 ， 而另一些人则声称时间会逆转 ， 飞行员在超音速后会变得更年轻。2跨音速研究的起点这些问题的第一个迹象出现在 1918 年。当时的飞机最高时速约为 100 mph 。然而，他们的螺旋桨的尖端以高达 300 至 650 英里 / 小时的速度旋转。是 Fra W.考德威尔和以利沙 · N陆军航空服务工程部的 Fales，对螺旋桨空气动力学进行了首次实际测量。使用能够达到 450 英里 / 小时的速度的风洞，他们发现 “[w] 当压力达到一定值时，两个相邻的空气层开始相互滑过，并且流动的特性发生了变化。. "3他们观察到了气流分离 ， 这种分离是随着流经机翼的气流加速而发生的。结果 ， 机翼的阻力增加 ， 降低了效率。由于螺旋桨的机翼和机翼的机翼受到类似的影响 ， 因此螺旋桨测试首次表明了飞机达到相同速度时会发生什么。4标准局的 Lyman J. Biggs 和 Hugh L. Dryden 博士在接下来的十年中扩展了这项最初的工作。在 1924 年至 1931 年之间 ， 比格斯和德莱登进行了四项独立的研究。第一项研究使用了考德威尔和法尔斯测试过的相同的六个翼型 ， 但速度为 375 英里 / 小时至 682 英里 / 小时 ， 证实了他们早期的结果。5Biggs 和 Dryden 的第二组测试也涉及六个翼型 ， 但速度为 383 mph （ 0.5 马赫 ） 至 830 mph （ 1.08 马赫 ） 。这再次证实了先前的结果 ， 确定了流动分离是阻力增加的原因 ， 并扩大了速度范围。6Hugh L. Dryden 进行了一些第一个研究在他对螺旋桨翼型的研究期间 ， 跨音速下的空气动力学。螺旋桨翼型所经历的空气动力学效应表明 ， 当飞机飞近声速时 ， 会发生什么。 （ NASA ）随后是对 24 个螺旋桨翼型形状的第三次更广泛的研究 ， 以 0.5 、 0.65 、 0.8 、 0.95 和 1.08 马赫的速度进行了测试。该研究的结果表明了一般规律 ： 薄型翼型在较高的速度下具有较低的阻力 ， 使它们更有效。相比之下 ， 厚翼型在较高的速度下显示出大大增加的阻力。另一个一般观察是 面对 “声音屏障 ” ： 贝尔 XS - 13当发生流动分离时 ， 所有翼型的效率都降低到 “几乎相同的水平 ， 而与流动平稳时的效率无关 ” 。7因此 ， “[t] 高效部门因此遭受的损失最大。 ”8由于每个测试使用的马赫数不同 ， Biggs 和 Dryden 能够表明阻力增加的速率在远低于 1 马赫的速度下突然上升 ， 而在大多数情况下 ， 流动分离发生在 0.8 马赫以上。Biggs 和 Dryde 的第四项也是最后一项研究是关于 “圆弧 ” 翼型的优势。第三项研究中使用的翼型之一是这种类型。圆弧翼型件具有平坦的下表面, 而上表面是圆的一部分。Biggs 和 Dryde 发现，尽管它是厚的机翼，但在高速下，圆弧形状比传统的机翼形状更有效。他们想看看这是否适用于一般规则。测试涉及八种圆弧翼型，分别为 0.5 、 0.65 、 0.8 、 0.95 和 1.08 马赫。通过使用与早期测试相同的速度，他们可以进行系统的比较。结果令人惊讶 - 一个圆弧翼型在低速时 “效率极低 ”，但在 0.85 马赫和 1.08 马赫之间的速度下仅具有传统翼型的 80 ％ 的阻力。Biggs 和 Dryde 意识到，这一结果为螺旋桨效率的损失提供了一个优雅的解决方案。他们写道 ： “这些结果表明，对于打算在高尖端速度下使用的螺旋桨叶片的外部使用圆弧截面是有益的，将常规类型的截面保持在靠近轮毂的厚度比大和速度低。期望在叶片的外三分之一上有利地使用圆弧截面似乎并非不合理。. "9尽管这些研究是由陆军航空兵和标准局进行的 ， 但其结果均由 1915 年成立的国家航空咨询委员会 （ NACA ） 发布 ， 该委员会 “旨在监督和指导对飞行问题的科学研究 ” 。10NACA 的创建是为了响应欧洲航空研究和飞机设计的进步。随着时间的推移，NACA 越来越多地将工作重点放在寻找可以推进航空学的 “实用解决方案 ” 上，建立了一种调查模式，
