


协和式革命性地采用薄前缘大后掠三角翼的涡升力,解决了起飞、着陆速度过高的问题

复杂的协和机翼外形


超临界翼成为现代客机和运输机的基本技术,运-20也采用了超临界翼
在RAE,库奇曼还研究高亚音速飞机的超临界翼型问题。超音速飞行油耗太大,高亚音速是在不引起激波阻力情况下能达到的最高航速,但实际上在隆起的局部还是可以达到超音速的,比如机翼上表面。机翼是通过大弯度上表面对气流加速、上下翼面形成气流速度差产生升力的,这样在高亚音速飞行时,机翼上表面气流已经超过音速,使得阻力激增。NASA的惠特康姆和RAE的库奇曼独立地分别提出后加载概念,提出全新的超临界翼概念。超临界翼采用肥厚的前缘,促使气流附着上下翼面,上翼面相对平坦,减少加速,推迟激波的产生;下表面前半段也相对平坦,但后半段向上挖空,然后在机翼后缘位置像襟翼一样形成向下弯曲的薄片,使得下表面气流贴附流动到后半段时,得到加速并向下“抛射”,同时带动上表面的贴附气流,产生升力。后加载使得激波推迟产生,强度也较低。超临界翼型已经成为现代客机的必用技术,英国也因为屠龙绝技而在机翼气动设计方面在欧洲领先。
库奇曼还大力推动升力体概念,抛弃用机翼产生升力的传统理念,比飞翼更激进,直接以机体作为产生升力的主要手段。但这个理念太超前,近半个世纪后的波音X-48才首先实现翼身融合升力体的理念,但依然不是纯升力体,离商业应用更是还有很长距离。不过升力体概念可能在高超音速飞机上更早实现,机翼用于高超音速飞行的阻力太大,像冲浪一样“踩着”激波锋面的乘波体可能更适合,而乘波体是升力体概念的进一步发展。
库奇曼在1971年从RAE的行政领导位置退下来,好集中精力主持欧洲超音速风洞的建设,但他没有看到风洞完成的那一天。库奇曼的遗作《飞机气动设计》成为现代经典。库奇曼还是专业水平的大提琴手,1946年起就在范保罗交响乐队担任大提琴手,后来成为首席大提琴,一直拉到1971年。库奇曼在1976年去世。

库奇曼还是专业水平的大提琴手
库奇曼对空气动力学具有特别的直觉和敏感,善于捕捉和理解三维空间里的复杂现象,善于定性分析和提出概念,但不喜欢数学。他的搭档乔安娜·韦伯是数学家出生,特别善于把库奇曼的奇思妙想用严谨的数学抽象出来,转化为坚实的理论和方法、工具。韦伯为人羞怯,不善表达;库奇曼正好相反,能言善辩,善于说服。两人的珠联璧合造就了“协和双杰”。

乔安娜·韦伯
乔安娜·韦伯(Johanna Weber)也是德国人,1910年8月8日在杜塞尔多夫的贫穷农民家庭出生。父亲在一战中阵亡,所以韦伯有政府助学金,得以进教会学校读书。1929年,她进入科隆大学读化学和数学,一年后转学到哥廷根大学,学业优秀,1935年获得博士学位并以一等奖毕业,然后去进修两年师范,想做老师。但她不愿加入纳粹党,所以不能当老师,为了养家,她决定去军工行业找工作,家里还有母亲和妹妹要抚养。
1937年,她在离杜塞尔多夫不远的埃森的军工大王克虏伯公司找到一份弹道研究的工作,用手摇的机械计算机计算数值积分和简单的弹道数据。1939年,同事根据一份工程技术杂志上的招聘广告去应聘哥廷根大学的空气动力研究所。韦伯对克虏伯的工作很失望,于是也去应聘,尽管她对空气动力学一窍不通。就这样,韦伯来到了哥廷根,普朗特已经离任,阿尔伯特·贝茨领军,他韦伯派去从事风洞数据校核与处理,从这里开始,学习空气动力学。这恰好是哥廷根的奥秘所在:把严格的数学与风洞研究相结合,而不是拘泥于实验派或者数学派。她的任务是用数学方法描述涡流的产生和发育,而此前空气动力学界缺乏合适的数学工具,只能用数学奇点来粗略地描述涡流的作用。她在这里遇到库奇曼。
库奇曼在设计喷气发动机进气口的时候,也遇到涡流问题。两人一拍即合,库奇曼负责定性分析和建立研究方向,韦伯负责风洞实验和定量分析。此后,两人富有成果的合作延续了一辈子。
哥廷根是美军在行进中就占领的,没有经过战斗。但在战后重划占领区时,划入英军占领区。英军当局命令哥廷根空气动力研究所的人把历年工作编成汇编,翻译成英文,库奇曼和韦伯的部分后来成为《推进系统空气动力学》的基础。这一期间,美军在占领区大肆收罗德国科学家,弄到美国去,英国也不落后,约50名德国科学家来到RAE,尽管其中很多以后前往美国,或者回到德国。布斯曼就是先到RAE,然后在1947年才去美国的。1946年库奇曼到RAE后,马上鼓动韦伯也过去,韦伯在1947年加入了RAE的低速风洞组。韦伯是前往英国的德国科学家中唯一的女性,很可能也是所有“被俘德国科学家”中唯一的女性。库奇曼对韦伯非常器重,在英国新老板面前把她说得天花乱坠,她第一天上班的时候,新的英国上司一见面就说:“Oh, the myth has become a Miss”(哦,原来传奇是个女的啊),弄得本来就生性羞怯的韦伯很窘。这时库奇曼和韦伯在技术上还是敌侨,有一段时间甚至不能在英国国内自由旅行,而且只能每6个月延续一次合同,直到1953年两人加入英国国籍,转正成永久职位。
战后到50年代中是核武器至上的年代,英国急切研制作为主要核打击手段的远程喷气轰炸机,这就是亨德利-佩吉“胜利者”。库奇曼和韦伯都参加了研制的理论阶段,机翼后缘的“库奇曼的胡萝卜”最终成为减阻和航程达标的关键,这是在惠特康姆尚未发表面积律的1947年。“胜利者”的翼根进气口的气动计算十分复杂,需要考虑机翼、机体和发动机进气的交互作用,使用的也是库奇曼和韦伯在战时对进气口的研究成果。这也是还没有电子计算机的年代,韦伯的线性化简化方程都还需要一班妇女用手摇计算机人工计算。

“胜利者”的翼根进气口的气动计算十分复杂,需要考虑机翼、机体和发动机进气的交互作用,使用的也是库奇曼和韦伯在战时对进气口的研究成果

VC-10不仅采用“库奇曼胡萝卜”,还采用“库奇曼翼尖”,其实这是韦伯提出的翼尖修形,后来成为50-70年代英国客机的特征
