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第14章 飞机设计室(2)

注释:

该段原文为“狗可不像太太们一样能自己染头发,因此,总是由贩狗的人给染。要是一条狗老得毛都发灰了,而您想把它当做一条刚满周岁的狗崽子卖,您就买点硝酸银,砸碎了,然后用它把狗染得黑油油的,就像刚出窝似的。您要是想叫它劲头儿足,就喂它些砒霜——像他们喂马的一样;然后就跟磨锈刀似的用砂纸擦它的牙齿。把它卖给一位主顾以前,先灌它点白兰地,这样它就会晕头晕脑的,接着就欢蹦乱跳起来,汪汪叫着,要多快乐有多快乐,而且见了谁都亲热,就像喝醉了的人一样。”(萧乾译《好兵帅克》)

歼教1外形数据计算

徐舜寿交给管德的第一项技术工作是歼教1理论外形的计算。在飞机设计室创建前后,徐舜寿、黄志千已经有过设计一架什么样的飞机的考虑,经过认真的调查研究和精心策划,徐舜寿本着“需要与可能相结合”和“在实践中培养、锻炼队伍”的原则,决定飞机设计室的第一个任务是设计一架亚声速喷气式中级教练机。这架飞机的最大飞行马赫数为0.8,选用平直机翼、两侧进气方案。

四局领导很快批准了徐舜寿提出的中级喷气式歼击教练机设计方案,新飞机定名为歼教1型飞机。同时批准410厂发动机设计室设计第一台喷气发动机,定名为喷发1A,推力为1600千克力[1],供歼教1飞机的动力装置使用。

“飞机和其他机器不同,最突出的是它要在空中飞行,具有高的运输效率和良好的飞行性能,因此对外形要有严格的要求,以满足空气动力学的特点。”(顾诵芬《飞机总体设计》)

飞机的几何外形由机翼、机身和尾翼(分为水平尾翼,简称平尾;垂直尾翼,简称垂尾)等主要部件的几何外形共同构成,也称为气动外形。飞机的外形是飞机能够实现飞行的最重要的条件,在推力大于自身重量的航空发动机推动下,以机翼为主产生升力,使飞机飞离地面,而机翼、机身的外形还需要最大限度地减小飞行中的阻力,于是在飞机和发动机设计中就有了推重比和升阻比等概念和技术指标。在高空高速和高机动、高隐身的要求下,作战飞机的外形会更为复杂。

为使飞机具有良好的气动特性,机翼、机身等外形均为曲面,表面必须平滑光顺。这样的要求就需要通过计算得出多个截面的曲线,而每一个曲线都是由一段一段的二次曲线来模拟的。每一段曲线需要3个点,列成三元一次联立方程进行计算。在电子计算机尚处于起步时期的20世纪50年代,所有的计算必须由人工完成。新成立的飞机设计室仅有两台电动计算机,因为有更重要的计算任务,所以对于外形曲线的计算只能用手摇计算机计算。

这项任务技术上并没有太高要求,但计算繁琐,工作量很大,日复一日,管德等几位技术人员终于把歼教1飞机的外形数据计算出来了。

冯家斌是当时参加此项工作的技术人员之一,他回忆:

有一天,徐主任推门进来说:“冯家斌,还有罗素贞,你们来一下。”然后就在一个小屋里,我一个,罗素贞一个,还有管德、黄志千开了一个会。

徐主任说:“我们现在总体搞得差不多了,要开始把外形整一整。搞外形,由管德牵头,冯家斌、罗素贞负责画图,黄志千做技术指导。”这就把临时小组定下来了。他还说:“你们搞完外形以后再回各专业组。”

搞飞机外形的时候,我们是参考米格-19飞机的外形,看它是怎么搞的。先看资料,就等于摸透。米格-19的外形用的都是圆弧。

在这段时间里,黄志千给我们一份资料,是他从英国带回来的,那个刊物的名字叫《飞机工程》,里面有具体的飞机二次曲线。怎么画,怎么算,那里面都有。管德就准备把飞机纵向曲线用二次曲线,横向用圆弧,就这样开始接触二次曲线。

二次曲线的方程计算很复杂。那时候没有现在的电脑,就是计算尺和手摇计算机。手摇计算机主要是日本、还有意大利生产的,用手摇的,很费劲。

为了我们计算方便,管德制定了一个计算程序,把所有的项目排序,列成一个程序表,有了数据之后就按程序表计算,用手摇计算机计算,这个相当复杂、相当麻烦。一整不好就错,一错就要从头来,从头算一遍需要很长时间,那时候手摇计算机速度很慢。

后来听说沈阳有美国进口的电动计算机,可以不用手摇,譬如5乘3,再乘12,数据打好以后,一通电,计算机就哗啦哗啦算出结果来,全是机械传动的。

我还记得那次是我带了一张支票去买来的,好像是1200元钱,很贵很贵了,然后捧回飞机设计室,就这样开始飞机外形设计。

管德领着我们做,他挺耐心。他是清华大学毕业的,正规学的飞机设计。我和罗素贞都是沈航学飞机制造的。他知道我们俩的水平,也没搞过飞机设计,就是搞飞机制造的。他非常耐心地教我们,怎么算、怎么调计算机、怎么校对,挺耐心。

——冯家斌访谈(2012年3月)

冯家斌讲,当时徐舜寿交代任务说这是临时性的,任务完成各自回原来的组室。但从那以后,外形设计成为他一生的事业。20世纪90年代,冯家斌退休离开工作岗位时,仍在601所总体设计室担任飞机外形设计师。

管德到飞机设计室以后,徐主任开始对他在技术方面能不能有发展没有多少信心,因为在机关里,他是在领导层面活动的,看到他整日跑上跑下,徐主任觉得他可能是从事行政管理的人,不大相信他能坐得下来搞技术。

管德回忆说:

他以后看我还真可以干,对我的看法可能就有所改变了。

——管德访谈(2011年10月)

顾诵芬也曾讲道:“画飞机外形模线的工作,就是将飞机布置好的固定点用二次曲线连接起来以形成飞机完整的外形模线。求解二次曲线的各项系数是非常繁杂的,当时没有电子计算机,全靠手摇计算机,一算就是一整天,甚至于晚上还要加班。大概算了一个月,歼教1飞机的外形基本确定。”(顾诵芬谈话,2012年6月。)

通过这一项枯燥、单调的任务,徐舜寿对管德的潜质有了深入的了解,应该就是从这项任务开始,徐舜寿认定管德在科学技术方面有很好的发展潜力。

歼教1的颤振分析

第二次世界大战期间,空军已经成为决定战争胜负的重要军事力量,歼击机、轰炸机等战斗机种得到了快速发展。然而在高亚声速飞行时,有多种机型多次发生空中解体事故。专家们对这些事故发生的原因进行了深入研究,发现机翼、水平尾翼颤振是导致事故的直接原因。

进一步的研究证明,由于飞行器的结构不可能是刚性的,必然发生弹性变形,这种弹性变形影响到飞机的气动特性,又使空气动力随之改变,从而导致进一步的弹性变形,构成结构变形与空气动力交互作用的所谓气动弹性现象。随着飞机飞行速度提高,气动弹性会显著影响飞行器的操纵性和稳定性,在空气动力作用下,已有结构形式的机翼抵抗变形的能力下降,严重时甚至会使飞行器结构破坏,造成严重的飞行事故。

由此,航空工程界对气动弹性开始给予关注,而颤振验证也逐步成为研制设计飞机必须考查的项目而载入强度规范。以后针对高速飞行器设计的需要,又发展了涉及气动加热效应的气动热弹性力学。20世纪六七十年代以来,由于自动控制系统在飞行器上的广泛应用,又出现计入伺服机构作为动态环节的气动伺服弹性力学。

我国的飞机设计起步虽然较晚,但对气动弹性的认识并没有滞后。

徐舜寿一直关注着世界航空科学技术的发展,他视野开阔,很有前瞻性。他敏锐地注意到国际上对气动弹性问题的研究,于是考虑在飞机设计室安排专人从事这方面的工作。他找到管德和陈钟禄,让他们开始学习这方面的资料。

顾诵芬院士回忆:

在管德他们开始外形设计以后,徐舜寿对我说起管德,说他看出管德有做颤振研究的潜能。这大概是1956年底,就是管德到飞机设计室一个月左右,那时徐舜寿已经在琢磨着要研究颤振的问题。徐舜寿征求我的意见,要选两个人。他说一个是管德,还有一个就是陈钟禄。陈钟禄原来在四局计划处,是1952年上海交大毕业的,徐舜寿觉得应该由他们两个人来弄这事。

以后徐舜寿弄到两本英文原版书,其中有冯元祯的《气动弹性力学》,就带着管德,大家轮流看。还买了一些从俄文翻译过来讲颤振的书。这是他们的基础,每礼拜大家都讨论,大部分时候是管德、陈钟禄、徐舜寿在一起,有时候黄志千会去一下。

1959年,徐舜寿推荐,让冯钟越跟管德俩人翻译冯元祯的《气动弹性力学》,并推荐到国防工业出版社。

这些活动我没怎么参加,开始去过一两次,以后就不参加了,因为气动的工作很多。

徐舜寿积极找人来教他们,一个是北航的张桂联教授,张桂联出差来沈阳的时候,被请过来专门为他们讲颤振。还有一个就是西北工业大学(简称西工大)的黄玉珊。主要是他们俩儿。

1957年冬天,徐舜寿在北京组织过一次研讨会,张桂联、黄玉珊都去了,管德也去了。

以后陈钟禄去搞试验方面的事,管德就全面抓起来了。当时下决心是徐舜寿。设计室没买别的东西,就为颤振研究购置了飞利浦的传感器。那些仪器很贵。

徐舜寿发现了他,搞外形模线是让他试一试,看他行不行。管德那时候看英文技术资料还比较吃力,他写信要父亲从北京寄了英汉词典来。

因为我们就在一个办公室,这些事我基本上都知道。

在徐舜寿亲自领导下,终于在设计室建立起了这门专业,也解决了歼教1飞机的问题,同时也培养出了管德这样的气动弹性专家,现在国内已有一支相当成熟的飞机气动弹性设计队伍了。

——顾诵芬谈话(2012年5月)

顾诵芬还记得,在徐舜寿拿给他们看的那些外文原版书的扉页上,经常有作者赠书的签名。如冯元桢的《气动弹性引论》一书上就有赠陆元九表兄的题字,陆元九是冯元桢的表兄,他们都是徐舜寿在中央大学航空机械特别研究班时期的同学。

一周一次的读书交流,参加的主要是徐舜寿、管德和陈钟禄,有时黄志千、顾诵芬也参加,每次活动,自己有什么学习心得和想法都谈出来,通过讨论加深理解。

徐舜寿为管德提供了当时仅有的几本专业书籍,同时还聘请当时国内最高水平的张桂联、黄玉珊、陈基建等教授作为飞机设计室的顾问工程师,为年轻设计人员讲课、辅导、答疑、解惑。管德从中获益匪浅。

徐舜寿的安排决定了管德从事气动弹性研究的人生事业。从1957年开始,一直到现在进入耄耋之年,他始终没有丝毫懈怠。管德回忆:

开始因为没有电子计算机这样的计算设备,就用手摇计算机摇,把歼教1机翼颤振的数据给摇出来了。这件事在当时还是比较有影响的。徐主任把我计算的结果拿给黄玉珊教授看,他评价不错。他说这是中国人第一次计算颤振速度,原来没有人算过,这是第一个。

——管德访谈(2011年10月)

黄玉珊,南京市人,与徐舜寿同岁,都是1917年出生。1935年毕业于国立中央大学土木工程系,毕业后进入了中央大学航空机械特别研究班。

“九一八事变”以后,当时的航空委员会急需航空机械人才,委托中央大学开办航空机械特别研究班(简称中大机特班)。1935年创办,学制2年。由于日本帝国主义虎视眈眈,搞国防教育不能公开,就起了这样一个名称,而且不公开登报招生,是请各大学工学院长在本校工科毕业生中遴选保送入学。这个班第一届共招收21人。黄玉珊是这个班的第一届毕业生,徐舜寿是比他低两届的校友。

1937年,黄玉珊从中大机特班毕业后去英国深造,于1939年在英国伦敦大学获航空硕士学位,1940年在美国斯坦福大学受世界著名力学教授S.P.铁木辛哥指导获博士学位。从美国启程回国前夕,黄玉珊已接受中央大学的教授聘约,时年23岁,所以有了一个“Baby Professor(娃娃教授)”的美称。他从1941年就开始指导研究生,享誉国际的美国工程科学院院士、生物力学创始人冯元桢教授便是他的第一位硕士研究生。

当时,出于飞机设计的实际需要,高等院校气动弹性的研究已经开展并在理论上取得了一定的成绩。1959年进入飞机设计室的潘一心曾经在一篇文章 中对当时大学教授们在气动弹性理论方面开展的工作进行了概括:

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