飞机结构一百年

万磁王

　　F-1的飞行性能非常优越，美国海军也有所耳闻。阿伦应海军的要求把飞机飞到圣地亚哥的北岛（North Island）进行评估测试，不过美国海军当时才刚订购了寇蒂斯HS-2L（Curtiss HS-2L）水上飞机机，因此在进行了3个月的测试后，只与劳黑德签约制造两架改进型飞机，并请他们为海军代工制造HS-2L。

劳黑德F-1水上飞机

万磁王

　　一战结束后，军方的代工合约马上取消，公司的生存立即遭遇严重的威胁，但劳黑德兄弟与诺斯洛普仍不气馁，准备生产一种新型大众化的单人双翼小飞机S-1以挽救公司。大概是受到诺斯罗普当初设计F-1船式机身的经验影响，S-1最大特征就是半硬壳式机身。

劳黑德S-1运动飞机

S-1硬壳机身的制造模具

万磁王

　　劳黑德的S-1机身也和“竞赛者”号一样采用两片式接合制造，不过这两片壳状半机身是由三层杉木条在混凝土模子内靠模成形，然后只需20分钟就能定位并高温胶合，机身外形有如子弹，气动效率非常好。S-1于1920年首飞，但没卖出半架，这不是S-1不够好，而是当时市场上充斥着一大堆战时生产的飞机，不论新旧正贱价抛售。劳黑德公司因此关门大吉，诺斯罗普也跳槽到位加州圣塔莫尼卡的道格拉斯飞机制造公司（Douglas Aircraft Company）。劳黑德公司歇业后，对航空工业仍然满怀热情的阿伦于1926年在好莱坞创立了洛克希德飞机公司（Lockheed Aircraft Company），并立即邀请诺斯洛普返回公司任职，共同设计生产一架全木制7座单发小飞机、具有6.35毫米厚木板制造的半硬壳式机身、超流线外形、全封闭式客舱、悬臂式上单翼。这架飞机被诺斯罗普命名为“织女星”（Vega），巡航速度每小时287公里，该机于1928年7月4日首飞，很快就成为成功的商务客机。“织女星”之所以能在飞机结构发展史上占据特别重要的地方，是因为该机证明了在提供相同机内空间的情况下，半硬壳式机身结构能比传统的衍架式设计减少35%横截面面积，因此降低了风阻，减轻了飞机的重量，让飞机有更好的性能、载运更多的旅客。“织女星”的成功设计很快就在全世界流行开来，也影响了大型运输飞机的设计理念。

第一架“织女星”NX913

“织女星”的硬壳机身

万磁王

　　1929年诺斯罗普离开洛克希德，自己成立了一家诺斯洛普飞机公司（Northrop Aircraft Company），探索应力蒙皮结构的应用，而洛克希德则沿用“织女星”的设计继续制造飞机。1931年洛克希德推出的“猎户座”（Orion），基本上就是把“织女星”改为下单翼布局，因此可以使用较轻较短的起落架，收起时可放进厚翼根内。“猎户座”是第一架使用可收放式起落架的民航机，因此虽然和“织女星”使用相同的550马力星型发动机，巡航时速却快92.6公里，事实上每小时370公里的巡航速度已比当时大部分战斗机的速度还快。从此之后，流线型半硬壳机身、悬臂式下单翼、可收放式起落架就成为飞机的标准构型了。

洛克希德“猎户座”率先采用了可收放起落架，大大降低了飞行阻力

万磁王

　　诺斯罗普离开洛克希德后做的第一件事就是制造一架很像飞翼的飞机，这架于1929年完成的实验性飞机翼展长达9.14米，机翼厚度由翼尖向翼根处逐渐增厚，机翼中线处并排安置两个开放式座舱，机翼中央有一类似机身的凸出结构用来安装发动机，两根细长的尾撑用于安装机尾控制面。这架飞机的外型虽然是当时首创，但仍属铝质半硬壳式结构，诺斯罗普以该机来测试如何造出更有效率、更轻的金属飞机，例如：这架飞机没有传统的翼梁，而代以弦线方向间隔38.1厘米向全翼展延伸的6片垂直抗剪腹板（shear web），腹板的顶端和尾端弯折90度以提供加强条的功能，腹板和机翼外蒙皮在此以铆钉铆接。

诺斯罗普1929年试验飞翼，为了保险起见还是保留了尾翼

从这个角度可以看见机翼前后展向腹板的凸痕

万磁王

　　继这架飞机之后，诺斯洛普公司在20世纪40年代到50年代之间，陆续研制了N-1M飞翼（flying wing）以及相同外型的XB-35和YB-49，最终则是在1989年首飞的全复合材料隐身轰炸机B-2。

N-1M飞翼开创了诺斯罗普的飞翼帝国

万磁王

　　虽然诺斯罗普的飞机只是实验性质，但诺斯洛普公司迅速在1930年推出了“阿尔法”（Alpha），这是第一架以平头铆钉接合（flush-riveted）的全铝、光滑外表面、半硬壳机身，以及全铝多室机翼（multicellular wing）的生产型飞机。它可乘坐6名乘客，下单翼、安装一具星型发动机、外覆由美国国家航空顾问委员会（NACA）设计的减阻发动机罩。

外表光滑的诺斯罗普“阿尔法”

“阿尔法”首先采用了全铝多室机翼

万磁王

　　多窝状机翼结构是诺斯罗普当年任职于洛克希德公司时所研制的，在这种设计里，机翼蒙皮可承受弯矩、压缩、拉伸负载，而不需翼梁的上下缘条（spar cap）。这种应力蒙皮的设计方式也成为20世纪30年代的标准，除了应用在诺斯洛普公司本身的飞机外，道格拉斯公司飞机和波音经过稍微修改后，都应用到各自的DC系列和B-247飞机上。

去掉蒙皮的“阿尔法”机翼，取消了传统的盒形翼梁，用翼肋和多翼梁纵横交错，形成许多小腔室

万磁王

　　在之前的飞机设计中，金属仅是木头的替代材料，飞机设计方式并没有因此创新，“阿尔法”宣告了这种设计方式的结束。从20世纪30年代初期开始，单翼、全金属、半硬壳、应力蒙皮成为标准设计，配合价廉高强度铝合金的研制，以及发动机和螺旋桨设计的进步，这种设计方式成为时代趋势。
　　虽然在第二次世界大战开始时，许多国家的军用飞机仍坚持双翼构型，但在20世纪30年代，全金属半硬壳单翼的设计理念也扩展到军机上。美国在1932年3月推出了第一架单翼战斗机——波音的P-26“玩具枪”（Peashooter），时速370公里，采全金属、铆钉接合、开放式驾驶舱、固定式起落架、单发动机、以及与B-247相同的发动机罩，机翼因为有外拉钢线所以不完全是悬臂式。真正的第一架悬臂式单翼战斗机在3个月后出现，这就是于1932年6月首飞的法国德瓦蒂纳D-500。这架飞机和P-26一样采用固定式起落架、开放式驾驶舱、V12水冷式发动机，性能大致相仿。1933年苏联出现时速达500公里的波利卡尔波夫I-16，这是第一架悬臂式机翼可收放式起落架的战斗机，机翼采用全金属翼梁，但外表面覆盖粗棉布，安装在木头硬壳式机身上。第一批全金属、铆钉接合、半硬壳式机身、下单翼、可收放式起落架、封闭式座舱的战斗机是1935年4月出现的美国寇蒂斯公司的霍克75A/P-36、5月出现的德国Bf 109、以及8月出现的美国P-35。

寇蒂斯霍克75A/P-36

万磁王

现代民航飞机结构的诞生
　　第一架全金属，具备一切现代民航客机（除螺旋桨发动机外）特点的商用单翼机是1930年波音公司的单发邮政机（Monomail），波音根据这架飞机的半硬壳式机身和应力蒙皮设计，在1931年为美国陆军航空部研制了双发动机轰炸机的原型机YB-9。

波音Monomail结构图

YB-9轰炸机