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从历史发展角度看飞机的气动造型与速度之美

  • Update:2014-09-01
  • 宫浩钦 北京航空航天大学
  • 来源: 《装饰》杂志第5期
内容摘要
飞机的外观造型与气动特性密切相关,理性而精炼。本文通过对历史上几款著名飞机的造型特色与气动性能的梳理,对未来飞机造型设计的趋向展开讨论。指出飞机外观造型所呈现的美是一种合理、合目的性的速度之美,并在此基础上对航空制造领域工业设计的未来进行了展望。

1. F-15E 战机


2. 苏-27 战机


3. F-22A11 战机

飞机作为“现代工业之花”在造型上极为精炼,它的外形与气动特性密切相关,从内到外都透着一股冷酷的理性之美。飞机的外观造型和功能诉求之间的对应关系,展现出飞机造型特有的魅力,它是造型艺术性与技术合理性的完美结合。飞机在外形上所体现出来的美,是一种带着强劲速度感的机器之美。

一、飞机的气动造型与合目的性特色
1. 飞机造型遵循气动科学的规律
飞机自诞生之日就与气动科学紧密相连,莱特兄弟为了进行飞行试验建造了简易风洞。他们之所以能够设计出世界上第一架飞机并成功实现首飞,得益于大量风洞实验的科学支持。20 世纪30 年代,随着风洞试验在飞机工业上的普遍采用,许多飞机公司都在尝试流线型的飞机机身设计。1933 年波音247型和道格拉斯飞机公司的DJ-1 型飞机开始采用流线型设计以增加速度。从空气动力学的角度来看,流线型的飞机外形能够大大降低飞机的阻力,减少燃料的消耗。空气阻力、气动外形与飞行动力的关系,就此成为飞机设计中空气动力学的一个基本问题,流线的外形降低了风阻,减少了燃料的消耗,而被飞机设计所广泛采用。流线型飞机给人们带来了象征高速运动的现代感,随后就逐渐演变成一种式样在汽车和普通工业产品上反复出现,引发了全球流线型产品设计的热潮。
2. 飞机造型的合目的性特征
飞机布局式样和造型特征都直接对应着飞行性能,技术美的内涵是产品形态所表现出的功能目的性[1],飞机设计正是以其合乎气动的外观造型成为功能性造型的经典。每一架飞机的设计定型都要经过上千次的试飞,将飞机所有的缺点都充分暴露,据此进行修改、完善,最终使飞机的所有细节都合乎功能理性,达到尽善尽美。高速飞行与低速飞行对飞机造型的要求有很大不同。低速飞机为了获取更大的升力,通常会采用平直机翼。超声速飞机为了减小激波阻力,飞机机翼通常要有很大的后掠角,不同的功能诉求直接导致了造型上的这些变化。挑战更快的飞行速度,是飞机设计的主要目标之一。二战之后,德国率先展开喷气式飞机的研制,在试验中惊奇地发现,高速飞行时骤然升高的空气阻力也是飞机提速的重要障碍,于是着手研究能够有效降低风阻的外形。换言之,此时能够实现高速飞行的造型就是好的造型!冷战时期,美苏两个阵营的竞争对抗,使战机设计获得突飞猛进的发展,战机外形也产生了诸多变化,例如后掠翼、三角翼和可变翼都是这一时期出现的。但从整体来说,飞机的基本结构和造型并没有改变,仍然保留了圆筒机舱和一对机翼的模式。以F-15、16 系列、苏-27 系列为代表的战机,机动性达到了前所未有的高度,将这一模式运用到登峰造极的境地。(图1-2)纵观飞机的发展和演变,合目的性一直是飞机外形设计的首要特性。

3. 飞机的外形之美是符合气动科学特性的理性之美
追求最佳气动效率的飞机造型充满了运动感,带有一种独具特色的速度之美。速度美的观念是从美学的视角审视技术对人生存状态所产生的作用,促进审美与科技的互补。飞机在造型上“速度之美”的本质就是飞机合规律性与合目的性统一。飞机造型的速度之美,作为美的一种形式,除了具有一般美对审美主体的功用外,还是作为内化于航空科技的特殊审美形态存在的。实用目标的顺利实现和对高科技的价值认同,才是飞机造型上速度之美的深层原因。

二、未来飞机的主要发展趋势和造型特色
1. 追求更快的飞行速度
20 世纪20 年代,飞机虽然取得了很大进步,但是如何进一步提高飞行速度,设计师们始终没有重大突破。1939年8 月27 日, 德国设计制造的HE-178 成功实现首飞,时速突破700 千米,这是第一架喷气式飞机的首飞,具有里程碑的意义。之前,为了提高飞行速度,设计师们想尽了办法,也无法超过每小时700 千米,这已经是活塞式发动机飞机的速度极限。HE-178 的首飞开启了喷气飞行的新时代,之后飞行速度又被反复刷新, 直到1947 年10 月14 日,X-1 火箭研究机成功突破音障,这是人类超音速飞行时代的开始[2]。迄今为止,飞行速度最快的飞机是美国设计制造的X-43 无人机,该机于2009 年11 月的试飞中达到了9.6 马赫的速度。飞得最快的实用性有人驾驶飞机是美国SR-71“黑鸟”侦察机,飞行速度达到3.2 马赫。飞得最快且仅用于实验的有人驾驶飞机是美国的X-15A,在20 世纪60年代,它先后创造了飞行速度6.72 马赫、飞行高度10800 米的速度与升限的世界纪录,它的试验飞行几乎涉及了高超音速研究的所有领域,并为美国的水星、双子星、阿波罗有人太空飞行计划和航天飞机的发展提供了极其珍贵的试验数据。
综合这些高速飞机在外观,未来高速飞机应当采用大后掠机翼或三角机翼,这样的尖头薄翼的造型在高速飞行时波阻更小。高速飞机的机身头部很尖,整体造型狭长,驾驶舱与机身融为一体,机身的长度大于翼展的长度,造型上更像一枚火箭,以适应在空气中的高速飞行。

2. 挑战更远的飞行距离
20 世纪20 年代,飞机设计虽然取得了进步,但是跨越大洋的长距离飞行,仍然是一个巨大挑战。1927 年5 月,美国飞行家林白驾驶圣路易精神号飞跃大西洋,从美国纽约成功飞抵法国巴黎,轰动了全世界。他所驾驶的飞机由瑞安公司的M-Z 型邮政飞机改装而成,为了减轻重量挑战飞行极限,他们拆除了包括发报机、降落伞、夜航设备在内的许多设备,冒着极大的风险成功飞行了5810 公里[3]。之后,设计师们不断挑战飞机的飞行距离,终于实现了飞机的环球不着陆飞行。2005 年3 月3 日,美国冒险家史蒂夫•富塞特驾驶维珍大西洋环球飞行者号飞机,实现了单人、不间断、中途不加油、不着陆环球的飞行壮举,这架飞机也成为目前世界上飞得最远的飞机。
为实现更长的滞空时间和更远的飞行距离,维珍大西洋环球飞行者号飞机的造型,特别是飞机的翼型选择了圆头、厚翼的翼型,选择常规翼身布局,这样飞机失速特性会更好。为了能够产生较大升力,机翼造型采用无后掠角(或小后掠角)的梯形直机翼。因此,未来大型飞机的设计为了获得更长的滞空时间和更远的飞行距离,外形设计上这些特征应当作为首选加以保留。

3. 追求更大的飞行载重
莱特兄弟1903 年制造出的飞行者1 号,只能供驾驶者一人乘坐,之后飞行载重就作为一项指标被反复刷新,这对于民航客机和运输机来说意义重大。1969 年2 月9 日,乔萨特设计的波音747 成功试飞,开创了宽体喷气客机的时代。波音747 机身接近7 米宽,一排10 个座位,双通道,最大载客490 人[4]。自波音747 投入运营以来,宽体客机已经成为洲际旅行的首选,被称为飞机设计上的革命。之后,欧洲空中客车公司设计的A380 客机,最大起飞重量550吨,堪称“巨无霸”客机,翼展79.8 米,最多可以乘坐800 多人。今天起飞重量最大的保持者是苏联安东诺夫设计局研制的安225 运输机,它最大起飞重量600 吨,翼展88.4 米[5]。
宽体客机的巨大的身型、翼展和粗壮的机身、常规的气动布局是这类飞机的造型特征。此外,为了获得更大的升力,它们采用无后掠角(或小后掠角)的梯形直机翼。随着空中旅行需求的增加,采用多种先进技术的现代大型客机以及超音速客机,仍将是未来航空器发展的重要方向,这种经典造型会创造更多的奇迹。

4. 完善飞机隐身性能
现代战争对飞机的雷达隐身特性提出了更高的要求。通常情况下,雷达是靠接收自己发出电波的回波来探测目标的。从雷达工作原理来看,大块平面的外形,能够有效地削弱回波的强度和稳定性,而非双流线的弧形。所以出于战术隐身要求的考虑,现代许多飞机表面都变得棱角分明、骨感十足,造型仿佛是用折纸的方法来完成的。这类飞机的代表是美国F-117 战斗机,它的造型可以使雷达发射的回波偏离入射波的方向,并且为了减少雷达散射,通常将外挂武器全部内置,追求造型的“极简主义”风范。目前,以F-22(图3)和歼-20为代表的第四代战机,在外观造型上也都具有干净简洁的“极简主义”特点。如果没有新的技术突破,将来执行隐身任务的军用飞机,这种简洁硬朗的造型还会长期持续。
由于功能诉求不同,飞机外形的设计也各不相同,随着航空科技的飞速发展,人们不断挑战飞行极限,引领着飞机造型的未来。另外,无人作战飞机、微小型航空器、高超音速飞行器,以及其他新概念飞行器的造型会更为灵活多样。

结语
飞机造型的发展从“结构功能”主义到“ 极简主义”, 从柔弱的“ 流线型”到硬朗的“折纸型”,飞机外形直接对应着各种不同飞行性能的要求在发展变化,它们是合目的性的工业产品的典型代表。飞机速度之美的内涵是形态的合目的性,工业设计在此领域存在着巨大的潜力。围绕飞机外形设计,之前许多工业设计师也有一些成功尝试。如美国设计师提革的设计团队曾和波音公司的工程技术人员密切合作,设计了波音707 飞机的外形,造型除符合空气动力学要求外还极具现代感。空军一号作为美国总统专机就曾选购波音707,此外,为了这架飞机还专门邀请了著名工业设计师雷蒙•罗维设计色彩。雷蒙•罗维还参与过协和式超音速飞机的设计工作,协和式飞机优美的外形是工业设计师和技术团队合作创造的又一个杰出典范。另外,特别值得一提的是德国工业设计师路易吉•克拉尼,这位极富想象力的天才设计的飞行器造型奇异、形态夸张,充满梦幻魔力,对飞机未来的发展做了十分有益的探索。
未来充满了可能,人们希望飞机客舱尽可能宽敞美观,座椅尽可能舒适健康,舱内的温度、湿度、压力、空气流动等指标也要与地面尽可能小,飞机的震动、颠簸尽可能轻微,噪声尽可能低,这都给工业设计提供了更多机会。随着社会的进步,人类对航空器设计也提出了更多样化的需求,如何使航空技术充满诗性之美,工业设计任重道远。

注释:
[1] 参见范玉刚:“ 技术美学的哲学阐释”,《陕西师范大学学报》,2002.4,第89 页。
[2] 中国航空工业集团公司编:《新航空概论》,航空工业出版社,北京,2009,第29 页。
[3] 万志强、朱斯岩等编著:《认识航空——飞机、直升机知识与鉴赏》,化学工业出版社,北京,2013,第10 页。
[4](美)乔•萨特:《未了的传奇——波音747的故事》,李果译,航空工业出版社,北京,2008,第189、305 页。
[5] 同 [3],第 82页。
 

 

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