飞机结构一百年

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　　由于美国陆军未将YB-9投产，波音与它的商业伙伴联合航空（United Air Lines）经过慎重考虑后，在1932年以B-9构型为基础研制了体型稍小的商用机型，这就是于1933年2月首飞的B-247。这架在结构设计史上翻下新篇章的飞机是架具有全金属、应力蒙皮结构、全包覆式机舱、橡胶除冰靴、配平片（trim-tab）、流线型发动机罩、自动驾驶仪、下单翼、可收放式起落架设计特点的飞机，只凭一台发动机也能飞行和爬升。也就是说B-247是第一架“现代化”的民航机，之后的每一种民航机都是在模仿它的特点。这架飞机虽然只能乘坐10名旅客，但飞行时速比福特的三擎机快上56公里，可在24小时内飞越美国本土，因此极富商业竞争力，广受各家航空公司的欢迎而供不应求。但飞机的机身较低矮，旅客在机舱内要弯腰前进，还得跨过突出于地板上的机翼后梁。

波音247是划时代的民航机

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　　由于波音的生产线无法满足航空公司的订单，道格拉斯公司乘势崛起，迅速推出后来名噪一时的全金属、下单翼、双发动机、可收放式起落架DC（Douglass Commercial）系列客机。可乘坐12名旅客的DC-1首飞于1933年，只比B-247晚了五个月。DC-1的机翼翼梁在机舱地板的下方，因此舱内地板平坦，空间较宽阔，旅客不需弯腰。1934年道格拉斯公司接着推出了机体较长，可乘坐14名旅客的DC-2；1935年则是推出了可乘坐21名旅客的DC-3。
　　DC-3的性能、有效载荷、坚固性使得航空公司真正开始能从民航运输中赚取利润，因此到了1940年就成为全世界航空运输业使用最多的飞机。DC-3是第一架能通过运送旅客及货物，不需政府补贴就能赚钱的民航机，到第二次世界大战结束时，共生产了1万1,000多架，是全世界到目前为止单一机型生产量最多的飞机，其中大多数是军用型的C-47。

DC-3是第一架能通过运送旅客及货物，不需政府补贴就能赚钱的民航机

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　　DC-3划时代的成功，归功于同时具备了可收放式起落架、NACA设计的发动机罩（B-247的发动机罩由波音自行设计）、襟翼（B-247没有襟翼）、高效率增压发动机、变距螺旋桨。DC-3机翼内有三根主梁而非常见的两根，增加了机翼的耐用度，使得飞机结构具有安全性损坏（fail-safe）特性，疲劳寿命很长。DC-3具备了一切铝合金半硬壳结构的特点：成形后的铝蒙皮以铆钉和机体、纵梁、翼肋、翼梁、加强条、成形条相互铆接。现今最新式的C-17“环球霸王”（Globelmaster）运输机，翼展50.29米，最大起飞总重265吨，但机翼结构却和翼展28.96米，最大起飞总重11吨的DC-3基本一样，都是三翼梁、多翼肋、应力蒙皮的设计。可以这么说：DC-3之后的飞机和DC-3之间只有细节的差异，基本设计理念没什么不同。

DC-3的三翼梁机翼

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二战时期飞机结构
　　除了少数外，二战时期出现的战斗机和轰炸机大多是半硬壳式结构，材料大多是铝和钢，例外之一是当时颇富盛名的英国“蚊式”（Mosquito），这是一种时速667公里、双发上单翼的战斗轰炸机，于1940年11月首飞。“蚊式”是架轻重量、敏捷的全木制飞机，机身为两层杉木夹板中间夹轻质木料构成的硬壳式结构，这是历史上三明治结构（sandwich construction）的首次应用实例之一。到1950年为止，“蚊式”共生产了780架，是最后一种生产型全木制飞机。

“蚊式”也是采用木制硬壳机身的，图中机身两侧的物体是制造左右硬壳的木模

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　　在航空史上，从1939到1947年是涡轮喷气发动机革命的年代，除了极少数例外，这段期间所出厂的飞机不论外型有多大的差异，内部基本结构和DC-3几乎没什么不同，能对飞机结构设计带来新意的就是是20世纪30年代晚期分别由英国惠特尔（Frank Whittle）和德国的奥海因（Hans J. P. von Ohain）发明的涡轮喷气发动机。1939年8月27日，一架德国的秘密实验飞机He 178首飞成功，两年后的1941年5月15日，惠特尔390公斤推力的离心式涡轮喷气发动机推动着格罗斯特（Gloster）E-28/39飞行了17分钟，带领英国进入喷气时代。

弗兰克·惠特尔和他的离心式涡喷发动机设计

无独有偶，冯·奥海因的第一个设计也是离心式的

都是机头进气、单发的He 178（上）和格罗斯特E-28/39（下）验证机

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　　全世界第一架喷气式战斗机是梅赛斯密特（Messerschmitt）设计的Me 262，于1944年进入德国空军服役，一个月后格罗斯特飞机公司的“流星”战斗机（Meteor）也加入了英国皇家空军的行列。这两种飞机的涡轮喷气发动机都装在机翼上，时速超过926公里，大大超过了最快的螺旋桨飞机。

都是双发、机翼发动机短舱的Me 262（上）和“流星”（下）

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　　Me 262是第一架后掠翼生产型战斗机，机翼后掠的目的是把超重的Jumo 004涡轮喷气发动机的重心后移，巧合的是后掠翼降低了高速时的阻力，但在当时人们不理解其原理何在。为了减少风阻，Me 262的机翼很薄，虽然主起落架能放进翼根内，但机腹就得较宽以容纳轮胎，飞机的剖面就像鲨鱼一样，上窄下宽。早期的Me 262原型机采用后三点式起落架，后来改为前三点式，机鼻有足够的空间来容纳轮子。
　　美国第一架喷气机是贝尔飞机公司（Bell Aircraft）的XP-59A，于1942年10月首飞，由两具通用电气公司的喷气发动机推动，时速接近741公里，总产量不到100架，之后被时速926公里的洛克希德P-80“流星”（Shooting Star）取代，后者是美国的第一种实用化喷气式战斗机，1945年初开始生产。

XP-59A结构图，和活塞式战斗机基本一样，只是机头不再安装发动机了

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二战后的飞机结构
　　由于缴获了许多德国涡轮喷气发动机、文件和技术人员，因此二战后苏联很快推出了第一型喷气式战斗机，分别是雅科夫列夫（Yakovlev）设计的雅克-15和米高扬-格列维奇（Mikoyan-Gurevich）两人设计的米格-9，两架原型机都在1946年4月24日首飞，和P-80一样都采用平直翼设计，事实上在二战后研制喷气式战斗机的热潮中，最初人们仍沿用了活塞式战斗机的传统设计，飞机的外型的变化主要是因为喷气发动机的截面积较小，并利用以往被活塞式发动机所占用的机头空间。

笨拙的雅克-15（上）和米格-9（下）

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　　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

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　　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