将战斗机带入超声速时代的航空气动奇才，美国空气动力学家惠特科姆

在航空史上 ，将战站在前台享受掌声和荣耀的斗机带入代的动力 ，往往是超声王牌飞行员和飞机设计师 ，但实际上，航空惠特还有一类人在幕后默默奉献，气动奇为航空技术的美国发展做出了卓越的贡献，这就是空气科姆航空技术和理论研究的专家们。在世界航空史上
，将战就有这么一位航空气动技术的斗机带入代的动力奇才，他的超声三项重大发明——跨声速面积律
、超临界机翼和翼梢小翼
，航空惠特使全世界军用和民用航空大大受益，气动奇它就是美国美国著名空气动力学家惠特科姆 。美国著名气动力专家理查德·惠特科姆发现跨声速面积律，空气科姆使战斗机突破声速限制惠特科姆于1921年2月21日出生在美国伊利诺斯州的将战小城伊万斯顿
，但在马萨诸塞州长大，并在那里进入以理工科闻名的伍斯特理工大学学习，1943年毕业后 ，惠特科姆进入美国国家航空资讯委员会兰利研究中心，从事于超声速飞行有关的研究工作，主要是研究飞机减阻和超声速飞行时产生的激波问题 。20世纪50年代初，美国空军的战斗机已经实现了喷气式化，F-86等战斗机的速度突破螺旋桨飞机的极限 ，创造出一个又一个速度飞行记录，此时研制战斗机所遇到的下一个难关就是如何进一步提升飞行速度，突破音障。当时美国的航空科研人员们普遍认为
，要突破音障，需要采取两个办法，一是进一步增加战斗机的后掠角，二是进一步提高涡轮喷气式发动机的推力。然而他们很快发现，飞机在音障附近飞行时  ，遇到的气动阻力会显著增加，是高亚声速时气阻的好几倍
。虽然将F-86这样的高亚声速战斗机的后掠角从35度增加到45度 ，但其最大速度仅略有增加，仍不足以突破音障；而采用了更大推力J57型发动机的F-100战斗机
，其平飞最大速度也不过1.03马赫 ，虽然堪堪突破声速，但一方面这种状态难以长时间保持，另一方面
，航空界的观点认为如果飞机的速度不能超过1.2马赫，那么只能算是跨声速区间飞行 。一时间，可以说美国航空界为战斗机超声速问题忙得焦头烂额 。惠特科姆演示应用跨声速面积律设计的飞机模型就在这个时候，惠特科姆的头脑中却灵光乍现，冒出了一个天才的想法。1951年
，在一次气动力学术研讨会上，当时的美国航空学会首席气动力学家阿道夫·布泽曼博士一篇阐述跨声速气流基本特性及相关问题的论文给当时也在苦苦思考超声速问题的惠特科姆以很大启发 ，惠特科姆根据布泽曼的理论进一步研究
、计算和思考，他认为
，飞机之所以在突破音障时遇到阻力 ，就是因为飞机前方的来流量很大，就像是马路上奔腾而来的滚滚车流
，挡住了飞机的去路，要想使飞机实现超声速飞行，就必须让从飞机正前方快速流过的高速空气流有一个去处，有一个宣泄的途径。惠特科姆在多年后回忆道：“当时我的脑子里出现了一个像可乐瓶的形状
，第二天，我就得出了这条经验法则 
：即飞机的跨声速阻力是整架飞机截面纵向展开的函数。”这条规律，就是后来为人们所熟知的
，大名黑黑的“跨声速面积律”法则 ，听起来它的描述相当专业 ，但简单解释的话，就是说飞机的阻力大小 ，与飞机正向的迎风截面积大小直接相关，飞机的迎风截面积越小，阻力就越小 。布泽曼博士很快便意识到了惠特科姆的“跨声速面积律”理论将对飞机突破声速限制产生重大的影响，他称赞惠特科姆道：“他捧出了一个光芒四射的思想。”兵工科技微信小商城根据惠特科姆的理论所制造出的飞机样机很快便被制造出来
，在这架样机上，飞机的机身不再是像传统飞机那样采用前后一样宽的圆柱形机身，而是在机身中段连接机翼的部分有一个明显的收腰设计，就像是蜂腰一样缩进去，因此又被称为“蜂腰结构”。采用蜂腰之后，就使得机身中段与机翼连接处的实际迎风截面积大大减小，这样一来，就可以有效降低因普通飞机机翼处迎风截面积较大而造成的气动阻力。根据统计
，使用跨声速面积律设计的飞机，其跨声速气动阻力降低了数倍，比起高亚声速飞行时，阻力仅略有增加。这就使得飞机能够更轻松地突破音障，显著提高飞行速度。惠特科姆的试验在当时极端机密状态下进行。根据它的理论，F-102和F-105等一批新型战斗机被研制出来，它们都毫无例外的采用了跨声速面积律的蜂腰设计  ，虽然后掠角没有明显增大
，发动机推力也没有增加 ，但由于跨声速阻力的显著降低，F-102轻松突破了F-100所无法通越的跨声速区域，其最大平飞速度达到了1.25马赫，成为名副其实的超声速战斗机。随后，世界上其他国家的一大批新机型也纷纷效仿，可以毫不夸张地说
，惠特科姆凭借一己之力，将战斗机带入了超声速时代
。第一种采用起临界机翼的F-8战斗机研制超临界机翼
，提升飞机升阻比和气动效率在现代的大型民用客机上 ，经常会提到超临界机翼这个技术概念，实际上 ，这个技术最早就是由惠特科姆提出的 。1964年，惠特科姆开始考虑如何提高机翼效率，他当时的设计思想与20世纪30年代以来一直沿用的翼型曲线相去甚远。传统的经典翼型是上面较圆的弧形，人们认为，根据伯努利定理 ，这样能够最大程度增加上下表面压差，从而产生最大的升力。惠特科姆花了三年时间，对机翼的形状进行了耐心的研究 ，并在风洞里进行大量反复的试验，在研究中他获得了一个颠覆性的重大发现 ：机翼顶面越是平坦，上面的气流流动越是趋于平滑 ，这样一来就极大减小了机翼上表面的空气摩擦，和机翼表面气动阻力的重要因素——机翼涡流，从而极大减小了阻力，从另外一个全新的思路上提高了飞机的升阻比和气动效率。惠特科姆的超临界机翼后来首先在罗克韦尔公司的T-2教练机上获得成功应用，它的改进型号又在沃特公司的F-8“十字军战士”战斗机上试验。在使用中，这种机翼获得了极大的成功，致使二十世纪70年代后半期之后 ，几乎被所有主要跨声速飞机所采用
。采用翼梢小翼的C一17重型运输机翼梢小翼，减阻又省油在研制出超临界机翼不久 ，惠特科姆又开始了另一项先进气动力研究项目——翼梢小翼 。这种装置可以减小翼尖阻力 ，阻止上下表面绕流和气动升力损失 
，从而减小5%的飞机燃油成本 ，据惠特科姆讲，是上世纪70年代的石油禁运激发了他开发新翼尖技术的灵感。惠特科姆从鸟翅膀尖部的小翅得到启发，于1976年提出了翼梢小翼的概念，即在客机小展弦比机翼的翼梢处装一个小翼片，从而既提高了展弦比，又不会使结构质量和摩擦阻力增加很多。这一设计理念一经试验果然奏效
。翼梢小翼的安装有直立或斜置等多种方式
，有上单小翼
、下单小翼
，上下双小翼等布局形式，这都是经过惠特科姆精心研究试验得出的 。据统计
，翼梢小翼能够减小诱导阻力20%-30%
。美国首先在里尔28/29飞机上进行加装试验，在KC-135加油机上加装翼梢小翼后  ，明显提高了承载性和经济性。此后在干线和支线民用客机上，翼梢小翼的应用开始广泛展开，目前，包括欧洲空客A310/320/330、波音747-400
、C-17军用运输机、伊尔-96飞机等大型飞机上，均采用了翼梢小翼 。采用蜂腰设计后，F-102轻松突破声速，成为真正的超声速战斗机荣誉等身的空气动力学家在惠特科姆的办公室里
 ，书桌长1.8米，看上去十分陈旧，三面围着成摞的书
、纸张和文件 ，在桌子中央有一块0.8米见方的工作面
，这就是他大部分时间工作和思考的地方，他的头脑里时常会进发出灵感，时而会抓过手边的一块小纸片计算着什么，而那一刻的灵感火花很快就能得到检验，因为他可以立即快步下楼
，到一楼大厅的风洞中  ，用实验得出的最新数据与其思考进行验证比对。在办公桌后的矮柜里，放着三个航空工程界最有价值的奖杯 ，一个是因为他发现面积律而获得的“科利尔奖杯”,一个是美国总统尼克松1973年为褒奖其在航空上的发明与发现授予他的“国家科技奖杯",以及为他突出的公众航空服务成就而授予颁发给他的“莱特兄弟纪念奖杯”
。这些成就是一个空气动力学家所能获得的最高奖赏。1980年，惠特科姆从他供职多年的美国航空航天局退休，但他仍然在进行着气动力方面的研究工作，2009年 ，这位世界航空气动学界的巨擘 ，在88岁的高龄与世长辞。

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