飞机结构一百年（下）

　　1945年到1948年所出现的喷气式战斗机在结构设计上并没有任何创新之处，把涡轮喷气发动机“埋”进机身或机翼的主要动机是气动需求，但牺牲了维修方便性，同时还得加强机翼结构以传递发动机负载。喷气式运输机最后流行把发动机以吊舱形式外挂于机身上或机翼下方，改善了可维护性。

　　在1935年罗马举办的一场高速空气动力学研讨会中，德国的布泽曼（Adolf Busemann）首先提出了后掠翼可降低风阻。1945年1月在NACA的兰利实验室（Langley Laboratory），研究员琼斯（Robert T. Jones）在对布泽曼理论毫无所悉的情况下，在设计导弹过程中提出了“亚音速后掠”的理论，经过几个月的超音速风洞吹试，证实了此理论是正确的。第二次世界大战快结束时，琼斯向主管建议：以后高速飞机都应该采用后掠翼。战后布泽曼携带丰富的后掠翼模型风洞数据来到美国，加入了兰利实验室团队，而这也立即影响到全世界第一架后掠翼喷气轰炸机——波音1947年推出的六发B-47“同温层喷气”（Stratojet），和北美公司（North American）F-86“佩刀”（Sabre）喷气式战斗机的设计，B-47和F-86的机翼都是后掠35度。苏联则根据缴获自德国人的资料，推出了后掠翼的米格-15，该机首飞于1947年12月，只比F-86慢了3个月。F-86和米格-15代表着第二代喷气式战斗机的诞生。

后掠翼之父阿道夫·布泽曼，手持F-86模型

罗伯特·琼斯经过研究证明了布泽曼理论的正确性

后掠翼可以大大降低波阻

　　进入20世纪50年代后，NACA、美国空军、海军开始进行研究超音速飞行，搜集数据并设计超音速飞机，研制了一系列的验证飞机。贝尔公司的子弹外形火箭动力X-1是全世界第一架超音速飞机，X-1先进改型飞到两倍音速，后掠翼不锈钢的X-2则飞过3倍音速；道格拉斯公司的X-3“短剑”（Stiletto）是用来研究惯性耦合的试验平台，具有早期超音速战斗机的典型设计构型；双发的诺斯洛普X-4是后掠翼无尾翼构型，用来研究后掠翼的特性；贝尔X-5则是美国在大战结束时，从缴获的梅赛斯密特P.1011可变几何外形机翼研究机所得到的灵感，验证了由20度到60度的的可变机翼后掠角。虽然这些X系列的飞机对超音速设计并无任何帮助，但却证明了后掠机翼、低厚度/弦线比、全动式尾翼的优点，打破了音障的限制，并使飞机能完全利用涡轮喷气发动机的全部优点。

X-2火箭动力验证机飞过3倍音速

　　1952年在NACA的研究备忘录L52H08中，有一篇惠特科姆（Richard T. Whitcomb）撰写的《近音速时机翼/机身结合处零升力阻力特性研究》的文章，对突破音速有重大的影响。惠特科姆根据风洞测试的结果，证明了“面积律”（area rule）可以降低超音速时的波阻（wave drag）。根据面积律，在飞机上机翼和机身相接合的位置机身的截面积应减小以适配机翼的截面积，对迎面而来的气流而言，机翼加上机身的总面积必需维持不变，因此机身的外型变成所谓的“可口可乐瓶”的样子。康维尔（Convair）公司的工程师立即根据该法则重新设计了1953年首飞但性能不佳的F-102“三角剑”（Delta Dagger）战斗机，将平直的腰部内缩。带有蜂腰的F-102A于1954年12月首飞，速度增加了20%，轻易地飞过音速。“面积律”是喷气机时代最重要的工程发展项目之一，直到今天几乎所有的高亚音速或超音速飞机，多多少少都应用了这个法则。

理查德·惠特科姆

这就是对超音速飞行至关重要的面积律

F-102A缩腰后大大提高了跨音速性能

　　到了20世纪50年代中期，生产型的喷气式战斗机，如由北美公司的F-100“超级佩刀”（Super Sabre），已经能在平飞中超过音速。到了1956年，洛克希德的F-104“星式战斗机”（Starfighter）是第一架能持续飞行于两倍音速的飞机，该机具备优良超音速气动布局所应有的外型——尖锐的鼻端、纤细的机身、薄且锐利的机翼，这种设计的目的是在减弱机鼻和翼前缘的激波（shock wave）强度，以降低超音速时的波阻（wave drag）。F-104的机翼厚度/弦长比只有4%，机翼前缘非常尖锐，停在地面时得加上防护夹才不会伤到附近工作的维修人员。

F-104的机翼前缘极端锐利

　　F-104的机翼无后掠，展弦比（aspect ratio）很低，和一般超音速飞机采用后掠高展弦比机翼的方式大大不同，这是因为平直低展弦比机翼的波阻和后掠高展弦比机翼的波阻大致相同，这种机翼的亚音速性能当然很差，但F-104追求的是两倍音速性能，只好牺牲亚音速性能了。

　　这种第二代喷气式战斗机的机翼很薄，翼载（wing loading）很高，设计时通常采用多翼梁翼肋的设计，机身蒙皮和加强条通常由板件生料一体加工成形。

F-104翼根处有13块腹板转成的5根翼梁与机身侧边连接

超音速飞机结构

　　伴随着超音速飞行而来的是因空气摩擦产生高热所导致的机体结构强度退化问题，首先当温度达到100摄氏度时，轻合金的静力强度（static strength）会大幅度衰退；其次在120摄氏度的环境下待满100小时后，轻合金抵抗潜变（creep）的能力会大幅度降低。在飞机超音速飞行时间很短暂，外蒙皮产生的热还来不及传到内部主结构时，这些都不是问题，一旦需要长时间的超音速飞行，为了防止因高热使结构失去强度，飞机的结构设计就要有所改变。

　　为了让机体拥有足够的强度和刚性（rigidity）又不至于超重，解决方法之一是使用蜂窝三明治结构。1956年美国第一架超音速轰炸机，通用动力公司的（General Dynamics）B-58“盗贼”（Hustler）就大量使用了这种结构来解决超音速摩擦热问题。B-58能持续超音速飞行两小时以上，最高飞行速度将近2马赫，此时部分蒙皮的温度超过摄氏120度。

　　B-58蜂窝三明治结构的外层是厚度仅有0.381毫米的高强度不锈钢蒙皮，内层夹心则是轻质六角形铝薄片蜂窝，使用区域占了机翼面积的90%，机体面积的80%。蜂窝蒙皮的结构重量轻，如此大面积的使用下，只占了全机最大起飞重量的16.5%，并且刚性足，即使到260摄氏度也依然能够维持设计的强度。不过相对而言，蜂窝蒙皮的制造成本就很贵，每平方英尺约需1,200美元，因此B-58的机体造价比同重量的金子还贵。装备部队后，三明治结构的外层蒙皮很容易因为维修或腐蚀产生损伤，修理耗时而且需要在高温下加压胶合，产生诸多困扰，导致B-58在1969年就提早退役了。