20世纪50年代初,喷气机设计师们不断在马赫1附近撞墙:阻力上升的速度远超基于各部件的风洞预测。康维尔公司的F-102截击机设计目标为马赫1.2,却连马赫1都无法达到——该项目正押注于乐观的风洞数据。在1951年末的一次兰利讲座上,阿道夫·布斯曼将跨声速流描述为刚性的“流管”,并开玩笑说工程师们必须成为“管道工”;几天后,理查德·惠特科姆便灵光一现:机翼的管道与机身的管道在相互干扰。

惠特科姆1952年的实验以NACA第1273号报告发表,使该规律定量化:在接近音速时,零升力阻力上升主要取决于整个构型垂直于气流方向的横截面积沿轴向的分布。加上机翼会在该曲线上形成一个凸起;在机翼连接处收窄机身则使其重新平滑。NACA从1952年起以保密方式将该规律交给美国工业界,康维尔公司收窄了F-102的机身并增加了后部体积——随后便达到了马赫1.2的设计速度——而格鲁曼公司则从一开始就围绕该规律设计F-11“虎”式战斗机。

这种外形塑造传播到各处,绰号也流传下来:F-102和诺斯罗普F-5被称为“飞行可乐瓶”。该规律的后继影响无处不在却又难以察觉——波音747和B-1“枪骑兵”驾驶舱后方的隆起、F-22的座舱盖位置,以及协和式飞机3.73米的后机身加长段,后者在马赫2时降低了1.8%的波阻。

塑造整架飞机的横截面,而非各个部件

马赫1附近的波阻是整架飞机的属性;孤立地优化每个部件的流线化是在优化错误的量,这正是F-102预测失败的原因。

收窄机身几乎不增加结构成本,也不消耗推力,而显而易见的替代方案——用越来越大的发动机硬闯阻力峰值——在整个飞行过程中都要消耗重量和燃油。

惠特科姆在兰利高速风洞中测试的是完整的翼身组合体而非部件,因此他能看到面积曲线,而非各部件的阻力系数。

布斯曼的“流管”框架提供了心智模型:接近音速的空气行为如同刚性管道,而相互挤入的管道会产生定常激波和阻力。

NACA从1952年起以保密方式将该规律在美国工业界传阅,因此康维尔和格鲁曼在它尚未发表时便已应用。

优化决定成本的量,而非眼前的部件。一个机身单独看可能完全流线化,但一旦装上机翼仍会成为问题——要塑造系统的曲线。

面积律成为跨声速设计的常备工具,而非一次性的救急手段:它挽救了F-102项目,塑造了F-106、F-5和B-58,并留存于客机和公务机的驼背外形之中。罗伯特·T·琼斯于1956年将其扩展为超声速面积律,它指导了协和式飞机的后机身加长。惠特科姆获得了1954年度的科利尔奖杯,并留在兰利又产生了另外两项突破——超临界翼型和翼梢小翼。更深层的遗产是一种习惯:在打磨任何单个部件之前,先检查横截面积分布。

从这里,追溯依据

参考来源

  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