世界上第一架全金属飞机——F13旅客机是由德国飞机设计师胡果?容克斯设计研制的,他开启了飞机的全金属时代。
在20世纪20年代以前,飞机采用木质结构是主流。1903年,莱特兄弟研制的世界第一架飞机就是木质的,其机体包括骨架、支柱和翼肋用云杉木制成,螺旋桨则用胡桃木制造,机翼蒙皮使用亚麻布,只有少数承力件用金属杆。
木质飞机质量轻,加工简易,成本低廉。早期的飞机发动机功率小、飞行速度低,因而机翼翼面承受的载荷也小,木质材料的强度即可满足需求。但是木质材料的缺点也很明显:强度小、刚度低、易燃、易腐蚀、吸湿性强。
1914年第一次世界大战爆发时,世界各国拥有的飞机只有1000架左右,大多是发动机功率不足74千瓦、飞行速度约100千米/小时的木质轻型飞机。随着飞机在军事上的运用日益广泛,航空制造技术得到了快速发展。到1918年战争结束时,飞机的性能得到明显提升:发动机功率提高到296千瓦,飞行速度约200千米/小时,升限和航程都大为提高。随着飞机的速度、机动性以及载荷的提高,木质材料渐渐无法满足需求。
航空技术的发展,同时带动了航空材料的发展。由木质飞机过渡到全金属飞机,成为历史的必然。由于飞机飞行的特殊要求,这种金属结构要轻,强度要大,于是铝合金应运而生。
1906年,德国冶金工程师阿尔弗雷德?维尔姆在一次实验中,发现含有一定其他金属成份的铝合金的硬度和强度均有所增加,这是世界上第一种铝合金。1909年,维尔姆研制的铝合金获得了专利,德国杜拉公司获得生产权,故称“杜拉铝”。
纯铝极软,不能做飞机的材料。杜拉铝是铝、铜、镁、锰等合金,又称硬铝,属于可热处理强化铝合金。经过热处理、时效处理的杜拉铝明显变“硬”了,其强度提高了7倍,具有较高的力学性能,适于制造飞机的构件,如蒙皮、壁板、桁条、翼肋等。
铝合金的出现引起了飞机结构材料的革命,木质结构逐步让位于铝合金结构。容克斯敏锐地看到了金属材料特别是铝合金的使用前景,认为制造飞机最适宜的材料不是木材而是金属。但当时木质飞机一统天下,无人敢用金属造飞机。容克斯就成为第一个“吃螃蟹”的人。
容克斯1859年生于德国莱茵河畔一个名叫锐特的小镇,19岁以半工半读方式学习机械工程,1889年自办工厂,1897年在亚琛大学任热力学教授。他在热力学方面的深厚功底为其从事航空事业打下了坚实的基础。1910年,他设计了世界上第一架全金属悬臂式飞翼并获得专利,这个飞翼没有支柱和张线,设计思想超前,以至于当时无人认识其价值。
1915年12月12日,容克斯设计的世界第一架无支柱悬臂式全金属单座飞机J1首次试飞,该机的蒙皮是用铝板制成的,内部用波纹钢板加强。J1飞机装一台200马力(149千瓦)的发动机,速度达到155千米/小时,成为当时德国飞得最快的飞机。遗憾的是,该机没有投入生产。1916年,在设计制造第3架飞机J3时,容克斯首次使用了杜拉铝,以后杜拉铝成为全金属飞机的首选材料。1917年初,他设计了全金属双翼机J4,用于近地支援与战术侦察,由于这种飞机十分笨重,被人们调侃,冠以“家具搬运车”的绰号。J4共生产了227架。
一战结束后,大量闲置的军用飞机为航空史上第一次大规模的军转民创造了契机,同时催生了民航。由于1919年签订的《凡尔赛合约》禁止德国从事军用飞机的研制与生产,德国被迫率先实行军转民,开始研制专用旅客机。由于德国航空工业基础雄厚,加之该国较早就有用飞艇运载旅客的历史,故而民航首先在德国发展起来。
1919年2月5日,德国开辟了柏林至魏玛之间每日定期客运航线,使用的是单发双翼飞机,柏林至魏玛飞行距离192千米,飞行时间为2小时18分。尔后,德国又开通了柏林至法兰克福航线。在1919年,德国共开辟了9条航线,运送旅客1574人次。
作为目光敏锐、思维超前的飞机设计师,容克斯迅速转向民用运输机的研制,并取得了在航空史上堪称里程碑式的成就:他采用杜拉铝制成了世界第一架全金属客机——F13,于1919年6月25日首飞成功。该机机长9.6米,翼展17.75米,起飞重量1730千克,可载客4人,驾驶员两人,巡航速度140千米/小时,可飞行5个小时。
F13的机翼有9根翼梁,全用杜拉铝制造,机身为构架结构,外面用带波纹的铝蒙皮包覆。F13装有1台265马力(198千瓦)的BMW发动机。1919年9月,该机创造了载客6人,飞行高度6700米的世界纪录。该机共生产322架,广泛使用到20世纪30年代初,用容克斯本人的话说,“从南美洲热带的哥伦比亚,到北部的加拿大和芬兰的雪域,都有人使用这种飞机”。
1932年,容克斯在F13飞机的基础上又推出了大型三发旅客机1u52,在世界各国广泛使用。1934年,1u52客机被改装为军用飞机,并重新编号为Ju52。1939年至1944年间,Ju52总计生产了4845架(包括民用机型)。
Ju52成为当时产量最大、使用时间最长的机型之一。以制造飞机闻名于世的德国容克斯飞机公司,使用独特的铝质波纹板金属蒙皮材质来制作整个飞机机体,其波纹顺着气流方向,既能减少空气流阻力,又能克服金属的热胀冷缩问题。Ju52飞机的机身轮廓棱角分明,简单坚固、结实粗壮,无论是运输效能或是负载力都相当优秀,在二战中大放异彩。
在民用运输领域,Ju52飞机的表现同样可圈可点。人们因其坚固耐用、用途多样而冠之以“容克斯大婶”的绰号。
全金属飞机问世后,各国飞机设计师并未马上纷纷效仿。当时,保守思想当道,一般的设计师还是倾向于“保险”,飞机只作少许改进容易成功。英、美有关当局也成为推广全金属飞机的阻力。英国空军部明令禁止飞机制造业使用硬铝,尤其是飞机内部易受压的部件。美国航空咨询委员会(NACA)也建议不使用硬铝。他们的理由如出一辙:认为硬铝易受腐蚀。
虽然英、美等国反对使用硬铝,但全金属飞机的出现代表了世界航空业发展的趋势。经过近15年的使用考验和普及,全金属飞机直至上世纪30年代中期才逐步站稳脚跟。
至今,仍然有少数Ju52飞机翱翔于世界各地,主要用于包租飞行和广告飞行。据机务人员反映,尽管已过去80多年,但飞机表面依然锃亮如新,毫无腐蚀或变形,这多半得益于如今早已过时的波纹蒙皮。