1950 年代初,噴射機設計者不斷在馬赫 1 附近撞牆:阻力上升的速度遠快於根據各部件所做的風洞預測。康維爾(Convair)的 F-102 攔截機設計目標為馬赫 1.2,卻連馬赫 1 都達不到——其計畫正寄望於過於樂觀的風洞數據。在 1951 年末於蘭利(Langley)的一場演講中,阿道夫·布斯曼(Adolf Busemann)將跨音速流描述為剛性的「流管」,並開玩笑說工程師必須成為「管匠」;數日後,理查·惠特科姆(Richard Whitcomb)靈光乍現:機翼與機身的流管正在互相干擾。

惠特科姆 1952 年的實驗以 NACA 報告 1273 發表,將該定律量化:在接近音速時,零升力阻力的上升主要取決於整個構型垂直於氣流的截面積沿軸向的發展。加上機翼會在那條曲線上造成一個隆起;在機翼與機身相接處將機身內凹,便能再次使其平滑。NACA 自 1952 年起以機密方式將該定律交給美國產業界,康維爾將 F-102 的機身內凹並增加後部體積——隨後便達到了馬赫 1.2 的設計速度——而格魯曼(Grumman)則從一開始就圍繞該定律設計 F-11 虎式。

這種塑形做法傳播到各處,綽號也沿用下來:F-102 與諾斯洛普(Northrop)F-5 被稱為「飛行可樂瓶」。該定律的後裔無形卻無處不在——波音 747 與 B-1 槍騎兵駕駛艙後方的隆起、F-22 的座艙蓋位置,以及協和號 3.73 公尺的後機身延伸段,後者在馬赫 2 時將波阻降低了 1.8%。

塑形的是整架飛機的截面,而非各部件

馬赫 1 附近的波阻是整架飛機的屬性;孤立地最佳化每個部件的流線化,是在最佳化錯誤的量,而這正是 F-102 預測失敗的原因。

將機身收腰幾乎不增加結構成本,也不消耗推力,而顯而易見的替代方案——用越來越大的引擎硬闖阻力峰值——則在整個飛行過程中燃燒重量與燃油。

惠特科姆在蘭利高速風洞中測試完整的翼身組合,而非各部件,因此他能看到截面積曲線,而非各部件的阻力係數。

布斯曼的「流管」框架提供了心智模型:接近音速的空氣行為如同剛性管道,而彼此鼓脹侵入的管道會造成定常震波與阻力。

NACA 自 1952 年起以機密方式將該定律傳播給美國產業界,因此康維爾與格魯曼在它尚未發表時便已應用。

最佳化決定成本的量,而非眼前所見的部件。機身單獨看可能完全流線,但一旦裝上機翼便仍是問題所在——為系統的曲線塑形。

面積律成為跨音速設計的常備工具,而非一次性的救援:它挽救了 F-102 計畫,塑造了 F-106、F-5 與 B-58,並存續於客機與商務噴射機的駝背輪廓中。羅伯特·T·瓊斯(Robert T. Jones)於 1956 年將其延伸為超音速面積律,它也指導了協和號的後機身延伸。惠特科姆獲頒 1954 年柯里爾獎盃(Collier Trophy),並留在蘭利又締造了兩項突破:超臨界翼型與翼尖小翼。更深遠的遺產是這種習慣:在打磨任何單一部件之前,先檢查截面積分布。

追溯依據

參考來源

  1. A Study of the Zero-Lift Drag-Rise Characteristics of Wing-Body Combinations Near the Speed of Sound NACA Report 1273 (NASA Technical Reports Server) · ntrs.nasa.gov
  2. Zero-lift-drag characteristics of wing-body combinations at transonic speeds Institute of the Aeronautical Sciences (NASA NTRS) · ntrs.nasa.gov
  3. Area rule Wikipedia · en.wikipedia.org
  4. Richard T. Whitcomb Wikipedia · en.wikipedia.org