美國NASA蘭利研究中心的前50年（2）

杰森

（接2016年第7期）

在第一次世界大戰的后期和戰后的初期，航空技術發展迅速，取得了不小的進步。有些探索和研究為以后的航空技術指明了發展方向。

在一戰中應運而生的蘭利航空實驗室（即后來的蘭利研究中心，全稱為“蘭利紀念航空實驗室”）， 在它初創期的10年里完成了許多有歷史意義的研究工作，在取得了不錯的成果的同時，也為今后幾十年的研究工作打下了良好的基礎。

初創期——1917年—1927年

10年概述

必須承認，戰爭是科技發展最有效的推動力。

一戰中的轟炸行動，促進了轟炸瞄準裝置、無線電通信與導航設備、自動駕駛儀、無人駕駛技術、自封閉油箱的發展。

商業航空和創紀錄飛行方面，也在不斷取得進步。

1919年初，德國戰敗僅兩個多月，德國航空運輸公司即開始經營客運業務。同年8月，英國倫敦和法國巴黎之間開始了航空客運往來，這是最早的商業性國際定期航班。美國于1920年起飛了北美第一架國際客運班機，1925年又建成了芝加哥—底特律定期航空貨運航線。1926年，柯立芝總統簽署了著名的“航空商業法案”，這是世界航空運輸史上第一個具有法律意義的法案。

早期的定期航運飛行的發展，得益于那些冒險完成的創紀錄飛行。

1919年，美國海軍使用寇蒂斯公司制造的NC-4水上飛機第一次飛越大西洋。英國的約翰·阿爾科克上尉與阿瑟·布朗中尉在同一年完成了不著陸飛越大西洋。1923年，O.凱利和J.麥克里迪完成了首次不著陸跨越美國本土的飛行。一年后，美國陸軍航空勤務隊（1926年改為美國陸軍航空兵團，1941年再次改為美國陸軍航空隊，1947年成為了現在的美國空軍）用4架道格拉斯公司的水陸兩棲雙翼機開始了首次環球飛行。命名為“道格拉斯世界漫游者”（Douglas World Cruiser）的4架飛機中最終有2架完成了這一航空史上的壯舉：全程飛行42400千米，第一次飛越太平洋，第一次從東向西飛越大西洋。

這些飛行成就中，1927年查爾斯·林德伯格（又譯林白）單人單機飛越大西洋給人們留下了深刻的印象。這次富有傳奇色彩的飛行讓全世界認識到了飛機的潛力，從而更加關注航空與飛行。甚至有人認為，其對航空的推動作用僅次于萊特兄弟的首次成功飛行。

在這10年當中的其他一些探索和研究，也指明了今后航空科技的發展方向。

在美國，研究者完成了多項試驗：一架寇蒂斯公司JN-4的操作員對另一架JN-4進行了遙控飛行；斯佩里公司成功試驗了帶陀螺穩定裝置的自動駕駛儀；利用軟管進行了空中加油；在演習中轟炸機投彈擊沉了退役戰列艦；對人類難以涉足的阿拉斯加荒野完成了空中測繪；在夏威夷進行了空中播種造林；利用航空技術進行人工降雨試驗。

歐洲的航空研究也取得了進展。羅伯特·哥達德設計的液體燃料火箭發動機成功進行了試射；德國成立了空間航行協會；俄國建立了火箭推進研究中央委員會；特別是德國羅爾巴赫公司制造的全金屬光滑表面機翼，最終演變為現在廣泛使用的承力蒙皮結構。

這一時期的最初幾年，飛機設計領域有許多難題需要解決。雙翼機因為支柱和張線的影響，阻力大，升阻比低；發動機功率小，可靠性差，螺旋槳效率低。在飛行方面，既缺乏飛行控制方面的知識，又缺少對陣風和氣動載荷的認識。飛機的穩定性、操縱性都很差，經常會危及飛行安全；降落時下滑角度和著陸速度幾乎無法控制。

蘭利航空實驗室（以下簡稱蘭利實驗室）在第一個10年里取得了很好的技術成果。包括：懸臂式機翼設計、單翼布局研究、三發飛機概念、金屬結構件設計、可靠性好的氣冷發動機、增壓器的嘗試使用、有限盲目飛行設備的發展等。

無論是軍事領域還是商業用途，飛機也在這10年里取得了驚人的發展。但是，由于缺少相關知識和試驗數據，飛機設計師只能依靠自己或別人的經驗進行研究。所取得的成果基本都是運氣好碰巧解決了某個難題，但在解決更多問題時運氣卻不那么好。

國家航空諮詢委員會（NACA）建立蘭利實驗室的目的，就是要在飛機設計中采用依靠試驗數據的科學研究方法而不是靠碰運氣。這才是飛機設計的正確思路。

蘭利實驗室的研究工作

風洞試驗

1917年7月，由紐約懷特工程公司承建的NACA第一個實驗室——蘭利實驗室破土動工。幾個月后，根據全美航空航空事業調查報告，NACA還批準了一項風洞建設計劃及技術要求，并于1919年春開始施工，預計1920年建成。

風洞開工后不久，NACA又在一項草案中建議擴大蘭利實驗室的研究工作，同時承諾將其有經驗的研究人員和新增加的實驗設備提供給大學和工業界使用，以促進政府試驗機構之外的航空研究與實驗工作。

這是蘭利實驗室的第一座風洞，與古斯塔夫·埃菲爾設計的風洞類似。該風洞試驗段直徑約5英尺（1.50米），還可利用一道隔板，將試驗段直徑縮小到2.5英尺（0.76米）。

1920年6月11日，蘭利實驗室舉行了正式落成儀式，新風洞也在當天同時啟用。落成典禮后進入風洞實驗室參觀的來賓們，看到新建成的風洞試驗設施是一座磚混結構的小建筑，兩端各有一個敞口喇叭狀物體。

位于室內的風洞試驗設施大小約為14英尺×10英尺（4.2米×3.0米），高約23英尺（7.0米），中心是一個圓筒形的風洞試驗段，里面用金屬絲懸掛試驗模型。測量試驗模型所受載荷的是一臺經過改裝的秤，技術人員位于試驗段下方，通過讀取秤桿上的刻度來獲取和紀錄試驗數據。

該風洞試驗段的氣流速度可達120英里/時（192千米/時），據稱是當時最快的可用試驗速度。與同時代的其他風洞相比，其空氣流動特性很好，非常適合在如此高的速度下測量試驗模型的受力情況。

第一座風洞（可稱為1號風洞）建成還不到半年，NACA提出了建造第二座風洞的計劃，一年后獲準動工。這座風洞是校正縮尺模型與全尺寸樣機數據差異的尺寸效應的壓縮空氣風洞，后稱作變密度風洞。該風洞試驗段直徑5英尺（約1.5米），根據設計可在20個大氣壓（約2026.5千帕）的高壓下工作。

新的變密度風洞在1922年9月19日 NACA舉行年度會議時建成啟用。有意思的是，當時蘭利機場的電力供應無法滿足變密度風洞和1號風洞同時工作的需求。盡管如此，1922年年會時NACA對蘭利實驗室的現狀和發展速度還是比較滿意的。

當時的蘭利實驗室有6大部分組成：行政辦公室、繪圖室、機械和木工車間、照相和儀表實驗室所在的研究實驗大樓，分別以1號風洞和變密度風洞為主體的兩個氣動力實驗室，兩個發動機研究實驗室（一個為專門修建，另一個由機庫改建），位于蘭利機場的一座機庫。

試驗設備包括1號風洞專用的一臺張線式天平、變密度風洞用的一臺自動天平和一個高壓壓力計，適合對雙翼機和三翼機進行試驗。

風洞設施及配套的試驗技術、設備，可用于測量現有飛機和部件的氣動力特性，以便找到改善這些特性的設計方法。

飛行試驗

但是風洞設備不是蘭利工程師們使用的唯一試驗設備。早在蘭利實驗室成立的第二年，他們就開始研制飛行試驗所用的試驗儀器了。借助這些儀器，可以在真正的飛機上進行測量，將測量結果與縮尺模型在風洞試驗中的數據進行比較，可以找出相互關系。

根據第一項測量儀器裝備研究計劃，工程師們要研究出測量發動機扭矩/轉速、螺旋槳拉力、飛機迎角與飛行速度的方法和設備。由此在飛機上獲得這些參數，可以補充風洞模型試驗數據的不足。

通過風洞模型試驗和全尺寸飛行試驗共同解決航空學問題的方法是一種創新。蘭利實驗室在早期就明確了這兩種試驗方法互相參照的關系，并在以后的航空研究中一直都重視和采用這種雙管齊下的方法。到了今天，這依然是蘭利研究中心研究方法的基石之一。

1919年年中，1號風洞還在施工當中時，NACA就批準了蘭利實驗室的一項研究計劃：進行第一次全尺寸飛機飛行試驗。

由此開始的這一系列研究工作的目的，是將同一架飛機的飛行試驗數據與風洞試驗數據進行比較，以分析這兩組數據之間的關系，同時，試圖找出由風洞試驗數據推導出實際飛行數據的方法。

第一項計劃使用了兩架寇蒂斯公司綽號“詹妮”（Jenny）的JN-4H雙翼教練機開展飛行試驗，對該機的升力和阻力進行了詳細觀測。該計劃是其后許多研究工作的先行者，并由此發展出了一系列探索亞聲速和超聲速飛行領域奧秘的研究機/試驗機。

用JN-4H進行的飛行試驗取得的另一項影響后世的重大收獲，體現在敘述試驗情況的“NACA技術報告”中。該報告指出，必須培養專門從事試驗研究的飛行員。這應該是最早提出試飛員概念并對其作用進行說明的技術文件。

第一項計劃于1920年開始，在之后的幾年中，JN-4H參與了多種飛行試驗，包括在飛行中觀測壓力分布情況。NACA的技術人員在JN-4H的木-蒙布結構的水平尾翼上鉆了110個測壓孔，將一組內裝液體的玻璃管壓力計與測壓孔相連，用相機記錄飛行中壓力計的變化情況。飛機設計師可以由此得到測壓孔的壓力值，進而計算出作用在水平尾翼上的氣動載荷，其他翼面/操縱面的情況也可以用同樣方法得到。

1921年1月，技術人員開始進行風洞模型試驗的機翼特性和全尺寸飛機飛行試驗的機翼特性的對比研究。研究結果可以提供完整而精確的數據，供飛機設計師據此進行性能估算。

同年，為了測量操縱面位置和駕駛桿桿力從而提供飛行安全性，蘭利的技術人員研制了新的觀測儀器并在飛行試驗中進行了測試。經過改進和小型化后的同類儀器，在后來高速噴氣式飛機飛行試驗中仍在繼續使用。

對壓力分布的研究，成為蘭利實驗室飛行試驗的一項重要工作。這項工作的內容也從測量穩定飛行時的機翼載荷，發展到研究加速飛行或機動飛行的載荷作用，因為當時的飛機設計師實際上無法從其他途徑獲得加速飛行中機翼載荷分布的數據。

后來，這項工作擴大到了測量柔性飛艇頭部的壓力分布。開始的測量工作只在穩定飛行時進行，其后也擴大到了在一定的空速范圍和大氣條件下做機動飛行時進行。

還是在1921年，蘭利實驗室為試飛工作增加了3架飛機：一架JN-4H、一架劉易斯-沃特公司的VE-7“藍鳥”和一架托馬斯-莫爾斯公司的MB-3。全年飛行任務最重的是3架“詹妮”，共飛行了260個起落、累計110飛行小時，其中進行數據采集的飛行時數超過一半。

1922年，蘭利實驗室又進行了一項開創性的研究工作：對起飛和著陸性能的首次系統的測試。還是在這一年，美國海軍航空局請NACA對4種機型進行穩定性、操縱性和機動性的比較研究。這4種機型是VE-7、MB-3、英國皇家飛機工廠的S.E.5A（一戰中使用最廣的戰斗機之一）和著名的德國福克公司的福克D.Ⅶ（美國遠征軍在一戰中繳獲的戰利品）。

1922年，S.E.5A和一架德·哈維蘭公司的DH.4首先加入了蘭利實驗室的試飛隊伍，使得機隊的規模擴大到了7架。另外，還有4架飛機正在為試驗計劃或保障工作進行改裝。它們是福克D.Ⅶ、德·哈維蘭DH.9、法國紐波特公司的紐波特23和斯帕德公司的斯帕德S.Ⅶ。

順便說句題外話。上述的機型中很多都是一戰中的作戰飛機。因為戰爭的結束，大量軍用飛機成為了剩余物資而不得不另找出路（低價銷售、轉為民用等）。戰后初期航空業的蓬勃發展，與這些“價格便宜量又足”、性能還很好的剩余軍機，有很大關系。

還是在1922年，蘭利實驗室使用JN-4H試驗機對機動性進行了廣泛的研究。研究目標是從空氣動力學角度對“機動性”下一個令人滿意的定義，并制定一套測量機動性的方法。以前，飛機的機動性是根據飛行員的主觀感受來判定的，受個體差異和好惡的影響。同一架飛機，一位健壯的飛行員會認為操縱輕便、機動性好，而力量較弱的飛行員則認為操縱笨重、不靈活。

蘭利實驗室的工程師和飛行員開展的機動性研究，就是要找到一種更加客觀的判定機動性的方法。他們給“詹妮”裝上了試驗儀器，測量隨著一個操縱動作而產生的角速度，以此作為給機動性下定義的第一個途徑。

和蘭利實驗室的許多開拓性工作一樣，對機動性的這項早期研究發展成為后來廣泛開展的關于飛機操縱品質方面的飛行研究工作。當初確定的基本方法，在今天仍然在使用。

蘭利實驗室在飛行試驗研究方面的能力，開始引起了美國各軍種的關注。

1923年，海軍航空局再次來到蘭利實驗室，請求對海軍的TS-1進行一系列低速狀態下的飛行試驗。TS-1由海軍飛機制造廠設計、寇蒂斯公司生產，在設計之初就考慮了艦載使用要求。機輪可以快速更換為浮筒，隨艦出海時可以水上起降，主要執行海上偵察和艦炮校射等任務。海軍對于精確測定飛機的失速速度和起飛著陸速度特別感興趣。

陸軍航空勤務隊同樣對這類問題感興趣。1924年，它請求NACA對陸軍航空勤務隊的大部分現役飛機在起降過程中的空速、加速性、操縱面位置、迎角和地面滑跑距離進行研究。要求進行研究的機型包括：寇蒂斯公司的JN-6H、VE-7、德·哈維蘭DH.4B、S.E.5A、斯帕德S.Ⅶ、BM-3、福克XCO-4（福克C.Ⅳ雙翼偵察機的原型機）、馬丁公司的MB-2雙翼轟炸機和斯佩里公司的M-1“傳令兵”雙翼機。

此時，蘭利實驗室的試驗機隊規模已經達到了11架，1924年全年共完成了918次試驗飛行，累計297飛行小時。

除了對現役機型起降性能的研究外，陸軍航空勤務隊特別要對VE-7教練機機翼上的壓力分布進行飛行研究，并專門調撥了一架VE-7給蘭利實驗室進行這項研究計劃。

這架VE-7在完成了機翼壓力分布的飛行研究后，又承擔了其他的試驗工作。其中一項研究計劃具有歷史意義：用7種不同型號的螺旋槳進行試飛，以測定各型螺旋槳對飛行性能的影響。

VE-7的螺旋槳對比試驗，還有在M-1“傳令兵”上用6種不同翼型的機翼進行的翼型對比飛行試驗，是NACA進行的許多對比試驗中的第一次。這類試驗采用了系統性的研究方法，可以找出一種較好的安裝方式或者設計出性能較好的部件。

飛行試驗和風洞試驗都日益成熟。到了1924年年中，蘭利實驗室的風洞內壓力分布測量和飛行中壓力分布測量，都可以在一個工作日內完成。而在以前，同樣的測量工作需要在長達兩個月的時間里進行一系列的試驗才能完成。

1924年年末，NACA報道了飛行試驗技術的又一項改進成果：技術人員研制出了能連續記錄飛行試驗中飛機壓力分布、加速度和其他一些參數的記錄儀器。

1925年，飛行試驗計劃繼續擴大，蘭利實驗室已擁有19架各型飛機來進行多方面的飛行試驗工作。全年完成626次飛行試驗，累計245飛行小時。

其他研究工作

1919年，蘭利實驗室的一個發動機研究實驗室已經開始工作。為了測量航空發動機的輸出功率和其他性能數據，實驗室安裝了一部測力計。

之后，又增加了第二個發動機研究實驗室。兩個實驗室的工作都很飽滿，發動機工程師們也因此非常忙碌。

1924年，蘭利的發動機研究實驗室對增壓器的早期研究工作，使得人們開始考慮利用增壓技術，提高轟炸機在高空時的發動機功率和使戰斗機能夠有更快的爬升率。該發動機研究實驗室后來成為了NASA劉易斯研究中心的核心。

為確定氣冷發動機上采用增壓器是否可行，以及其對發動機飛行性能的影響，發動機研究實驗室特地進行了一項專題研1925年，蘭利實驗室又開始了兩項開拓性的研究計劃。

第一項是讓風洞試驗結果標準化的研究。這對于將兩個不同的風洞裝置得到的數據進行比較，是非常重要的第一步工作。NACA的工程師設計了一套圓盤，先在蘭利實驗室的風洞進行試驗，然后再去其他風洞在同樣條件下做試驗。把不同的結果進行比較，就可以得到校核不同風洞數據的方法。

1926年5月24日，NACA在蘭利實驗室召開了第一次有飛機制造廠和用戶代表參加的聯席會議。從此以后，這種聯席會議發展成為NACA的例行會議，也是其以“視察旅行”的名稱傳承下來的一項優良傳統。會議的活動內容也有了發展，參會的嘉賓、代表可以評論當前的研究工作，并可以就他們認為有發展前景的新技術新方法提出建議。

第二次聯席會議于1927年召開，參會人員范圍進一步擴大，包括了開始航空工程課程的院校代表，和在傳播航空信息方面起著重要作用的航空雜志的代表。

航空工業界和NACA之間的信息交流，始終是確定NACA已經方向的重要因素之一。自1926年正式召開第一次聯席會議以來，這種正確的做法就一直保持了下來。

蘭利實驗室的出色的研究工作也為美國國外的一些研究機構所賞識。比如，英國航空研究委員會請蘭利實驗室對3種飛機模型上的不同翼型進行了一系列的風洞試驗，并將之前在英國風洞所得到的試驗結果和全尺寸飛機飛行試驗的結果與蘭利的風洞試驗結果進行了對比。

1926年，美國海軍航空局發來的一封咨詢信，促使蘭利實驗室完成了航空領域非常重要的一項研究工作。與陸軍青睞夜冷發動機不同，海軍認為氣冷發動機才是更合適的動力裝置。當然，海軍的工程師們也清楚地知道，與夜冷發動機相比，氣冷發動機的阻力較大，發動機冷卻過程中消耗的功率也較多。他們希望能有一種包覆發動機的流線型整流罩，可以在減少阻力的同時改善發動機的冷卻性能。海軍航空局的來信就是請蘭利實驗室探索滿足上述要求的整流罩是否可行。

NACA第二屆聯席會議上，工業界的代表也提出了類似要求，顯然他們也遇到了和海軍同樣的問題，因此來尋求NACA的幫助。工業界的工程師們要求既考慮蘭利實驗室設計出的最佳整流罩外形的效應，還要考慮機身外形對整流罩和發動機冷卻效果的影響。

因為變密度風洞在1927年8月的一次火災事故中嚴重受損，需要兩年的時間來修復。蘭利實驗室僅剩下的1號風洞只能進行縮尺模型研究，縮尺模型太小且沒有螺旋槳，因此無法對解決整流罩和發動機冷卻的問題提供幫助。當時唯一可行的方法是進行飛行試驗，缺點是試驗成本高，周期長。

最終解決問題的是蘭利實驗室的一座新設備：螺旋槳研究風洞。該風洞于兩年前獲得批準并動工興建，原計劃1927年底投入使用，實際建成比計劃稍稍提前。螺旋槳研究風洞最初用途是在模擬飛行條件下試驗全尺寸螺旋槳，后來也用于試驗全尺寸機身、尾翼或大比例機翼模型。風洞的試驗段直徑20英尺（6米），最大風速110英里/時（176千米/時）。它是當時世界上最大的風洞，也是第一座能試驗全尺寸飛機主要部件的風洞。

小結

隨著全新的螺旋槳研究風洞的投入使用，蘭利實驗室終于成長起來了。

在這10年里，蘭利實驗室主要工作是探索和分析與航空有關的問題，同時也在發展組織機構，建造研究設施，與航空工業界和其用戶進行信息交流以了解他們需要解決的問題。

通過富有創造性的試驗研究工作，蘭利實驗室很好地解決了航空領域的一些問題，為當時的飛機設計作出了重要貢獻。

但是，蘭利實驗室最突出的貢獻，還是對其自身和NACA：兩者都明確自己職能和發展方向，蘭利實驗室具有了認識飛行問題的能力，也能在急需解決這些問題時及時找出解決問題的方法。

這才是蘭利實驗室第一個10年中最大的收獲和貢獻。