飞机结构一百年

万磁王

　　同时期法国还出现了多种外型类似的单翼机，德国在1915年也有外形差不多的福克E-Ⅲ单翼机（Fokker E-Ⅲ），在大战末期还发展出更先进的内置拉线单翼机。英国因为考虑强度和耐用性，对单翼构型并不热衷，所以整个第一次世界大战期间，英国只在1917年出现一种单翼机——布里斯托M.1C（Bristol M.1C）。

福克E-Ⅲ单翼机

布里斯托M.1C现代复刻机

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一战期间飞机结构
　　第一次世界大战期间最重要的两大结构创新是悬臂式机翼（cantilever wing）和硬壳式机身（monocoque fuselage）。不需要任何拉力钢线的机翼被称为悬臂式机翼，其基本架构仍是翼梁与翼肋，但单凭主翼梁的强度就足以支撑机翼的飞行负载。第一次世界大战时第一架实际生产的悬臂式机翼战斗机，是当时由荷兰飞机设计师福克（Anthony Fokker）为德国空军所制造的时速213公里的福克Dr-I三翼机，这架飞机由1912年进入福克公司担任首席设计师的普拉茨（Reinhold Platz）设计。1917年出厂的福克Dr-I木制机翼上没有会产生阻力的拉力钢线，三翼的翼尖由一根薄而流线、非结构的垂直支撑条贯穿，用来控制某些飞行状况下的飞机颤振，机翼的强度来自一根强壮的方型翼梁。由于普拉茨精通焊接，因此Dr-I的衍架式盒状机身就以焊接钢管取代了木条，但仍然保留交叉钢线。

悬臂式机翼的主翼梁的强度足以支撑飞行负载

安东尼·福克

福克Dr-I取消了机翼之间的拉力钢线

机身则是焊接钢管和交叉钢线结构

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　　由普拉茨设计并于1918年服役的福克D.VII双翼机，把Dr-I的无拉力钢线、盒状翼梁、高升力机翼、交叉钢线金属焊接机身更为发扬光大，这两架飞机的特征都是外覆帆布，有着盒状翼梁的悬臂式机翼。而同年出现的机身纤细D.VIII单翼机，则有着后来成为标准设计的厚翼根、外覆三合板的机翼。

莱因霍尔德·普拉茨

福克D.VII双翼机现代复刻机

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　　早在福克飞机之前，就有人设计出厚实的悬臂式机翼和全金属飞机了。1910年一位德国热动力学教授容克斯（Hugo Junkers）对航空产生了狂热兴趣，首先设计了内置拉力钢线的金属悬臂式厚机翼，虽然没有真正生产，但容克斯把这个机翼应用到1915年设计制造的单翼机J.1上，比福克的设计要早。J.1是第一架成功的全金属飞机，相当笨重，飞行时速194公里，只能容纳一名飞行员，机身钢管结构外部覆盖薄铁片，因此被昵称为“锡驴子”，机翼安装在机身中间（中置式），翼根很厚，逐渐向翼尖收薄。

雨果·容克斯

荣克斯J.1单翼机

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　　容克斯曾想使用木材，但经过详细考虑之后，他认为只有金属材料才能实现设计理念。容克斯认为自然生长的树干和树枝只能提供大小、形状固定的木料；而金属所能提供的特性与尺寸几乎毫无限制，而且容易加工成形，可靠性和强度值可以正确掌握，又不受天候及大气的影响。
　　虽然德国军方对容克斯的设计抱有怀疑和排斥态度，但容克斯深信飞机本来就应该以金属制造，并继续改进他的设计。他把机体外蒙皮由铁片改为当时德国刚发明的轻质铜铝合金，用在1917年全金属的J.4翼半双翼机（sesquiplane）上，铝质外蒙皮呈波纹形来增加强度，波纹方向由前往后以减少风阻，该机被德军选定为主要对地攻击机，同盟国对其几乎束手无策。到大战结束的1918年11月，全金属、铝质波纹外蒙皮、悬臂式单翼构型的J.9和J.10相继服役，这两型飞机的机翼都安装在机身底部（下置式），和以往把机翼安装在机身顶部（上置式）或中间有所不同，容克斯考虑一旦飞机失事坠毁，机翼可以吸收撞击的能量，有利于飞行员的安全。等可收放起落架出现后，下置式机翼可使用较短较轻的起落架，显示出这种设计的另一个优点。容克斯对飞机结构演进的影响是全面性的，他是第一架悬臂式机翼飞机、第一架全金属飞机、第一架下单翼飞机的设计者与制造者。

容克斯J.4翼半双翼机

J.4的波纹蒙皮

全金属下单翼波纹蒙皮的J.10

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　　第一次世界大战期间另一个重要的设计创新是硬壳式机身，mono来自希腊文，是“单一”的意思；coque来自法文，是“外壳”的意思，因此monocoque的意思是一片式外壳（就像蛋壳）。硬壳式结构有着薄而成弧状的外壳，不需内崁式加强条就能支撑外部负载，如果外壳和可分担负载的隔框或加强条搭接，则就称为半硬壳式（semi-monocoque）结构，这两种结构的主要承载部件都是那层应力蒙皮（stressed skin）。因此若依照严格的定义，现代飞机很难说是半硬壳式结构，因为机体蒙皮上有许多维护开口（cutout），所以绝大部分的气动力负载都由桁条和隔框承受，而不是蒙皮。

硬壳和半硬壳式机身的区别

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　　硬壳式机身实际上在一战爆发的前夕就已经出现了，当时已有人尝试在圆形的木制隔框上铺上几层很薄的三合板，但因为很费工，以这种施工方式做出来的飞机没几架，其中最著名的的是法国的“竞赛者”（Racer），这架快速且流线的单翼机的壳状机身是由上下两片压模成形的木质三合板接合而成，它在1912年创下时速超过185.2公里的纪录。硬壳式施工技术的突破是在1918年，当时在劳黑德飞机制造公司（Loughead Aircraft Manufacturing Company）任职的诺斯洛普（John K. .Northrop），和公司创办者阿伦和马尔科姆·劳黑德兄弟（Alan and Malcolm Loughead），以及公司的制造总监斯塔德曼（T. Stadlmam）共同获得了硬壳式机身制程的专利，将施工的时间大幅度缩短。专利编号为1,425,113，诺斯洛普是主要设计者。

外形优美的“竞赛者”现代复刻机

机身壳体的制造过程，在模具表面使用木条一层层铺设胶合成形

制造完成的上壳体

等待胶合的下壳体

　　第一次世界大战末期的1918年，一些飞机结构的设计方式俨然已经标准化了，例如为了增加升力，机翼做得较厚，而且下翼面的弦线方向曲率较小，因此能使用较宽的翼梁以增加机翼的强度和刚性。还出现了简洁的无拉力钢线机翼，和以金属取代木材作为飞机主结构的时代趋势。不过一直到20世纪20年代初，当时在天空飞翔的飞机绝大多数还是有着外露式拉力钢线、装有副翼的强壮机翼、独立衍架式交叉钢线机身、以粗棉布覆盖外表面的木制双翼机。

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一战后的飞机结构
　　第一次世界大战期间的飞机结构科技发展非常迅速，战后由于缺少刺激而使步伐变慢。大战期间各国共生产超过15万架的飞机，大部分使用木材制造，使得木料来源濒临枯竭，大战末期由于杉木缺乏，设计人员只得采用夹板而非实木来设计支柱和翼梁。也由于木材的供应有问题，英国的航空部（Air Ministry）宣布未来英国飞机将采用全金属的设计，不过二战时期英国著名的蚊式战斗机（Mosquito），还是以三合板做为结构材料，该机也是全世界最后一架全木制生产型飞机。
　　1919年，容克斯把J.10的经验融入单发民用机F.13的设计里。这是一架全金属、铝质波纹蒙皮、悬臂式下单翼飞机，可乘坐两名机组和四名乘客，时速167公里，到1932年底共生产了350架。接着是可乘坐15名乘客，时速278公里，非常成功的Ju 52民航机，并成为纳粹德国空军第二次世界大战时的空运主力。Ju 52是下单翼机，方方正正的机身覆盖铝质波纹蒙皮，看外观就是典型容克斯飞机，机鼻和左右机翼的发动机舱内共安装3具星型发动机。

等待最后组装的F.13

容克斯波纹蒙皮的代表作——Ju 52

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　　美国福特汽车公司（Ford Motor Company）从1926年起也开始生产外型方正、全金属、厚实上单翼、波纹蒙皮、和Ju 52一样3具发动机的“锡天鹅”（Tin Goose）3发飞机（Trimotor），该机可乘坐12名乘客、时速232公里。虽然福特和容克斯的波纹蒙皮非常耐用，但蒙皮事实上承受的负载很少，却产生不小的风阻，以结构效率而言这种设计没什么前途。

同样是波纹蒙皮三发的福特“锡天鹅”

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　　1916年，一位二十多岁热衷于飞机的年轻小伙子诺斯洛普毛遂自荐加入加州圣芭芭拉，由劳黑德兄弟创立才一年的劳黑德飞机制造公司，他最初负责设计F-1（Flying Boat No.1）的机身外形，接着则设计翼展长达22.86米的机翼。F-1是一架双发、可乘坐10名乘客的双翼水上飞机，也是当时全世界最大的飞机，1918年3月28日由阿伦进行首飞。

约翰·诺斯洛普

坐在F-1水上飞机座舱中的劳黑德兄弟，左边是马尔科姆，右边是阿伦