航空器

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航空器(Aircraft)

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什么是航空器

  航空器是指依靠空气的反作用力而不是空气对地面的反作用力在大气中获得支承的任何机械。航空器包括在大气层内活动的各类飞行器,而飞机只是航空器中的一种,飞机是依靠自身动力和依托固定的机翼进行飞行,也可以说飞机是依靠空气动力并克服自身重力而实现飞行的。

  航空器在空中必须克服各种阻力才可以飞行,而大气层中的各种气象条件和空气动力对航空器飞行具有各种各样的影响。飞行器在大气层中飞行,还是大气层外飞行,是具有本质的区别。飞机是依靠空气动力克服自身重力实现升空的。除了飞机之外还有风筝、气球、飞艇、滑翔机、直升机等等都是航空器。

航空器的分类[1]

  航空器依据获得升力方式的不同分为两大类,一类是轻于空气的航空器,依靠空气的浮力飘浮于空中,如气球、飞艇等;另一类是重于空气的飞行器,包括非动力驱动和动力驱动两种类型,具体见下图。

Image:航空器的分类.jpg

航空器发展简史[2]

  1.轻于空气的航空器

  利用空气静浮力升空,在技术上是较易实现的。中国在10世纪初期就有类似于热气球的“孔明灯”出现,升入空中作为战争中的联络信号。18世纪末期,法国蒙哥尔费兄弟的热气球载上一些动物升空飞行了8min后安全降落。1783年10月15日FP罗奇埃乘热气球上升到26rn高度,飞行4.5min。同年11月21日,罗奇埃和达尔朗德又乘热气球在约1000m高度用12min飞行了约12km。这是人类乘航空器首次飞行。随后,法国的物理学家查理制成了以丝绸作气囊充以氢气的气球,升空915m,飘行了约25km后降落。后来他又制造了一只更大的气球,下系可以载人的吊篮。他和一位同伴乘这只气球在空中飘行50km,留空时间超过2h。气球的出现激起了人们对乘气球飞行的热情,并有人致力于飞艇的研究。经过多年的探索和试验,制成了带动力、可操纵的飞艇,并升空飞行。1900年,德国的齐柏林制成了长128m,容积11300m^3的硬式飞艇,巡航速度为60km/h,并于1910年开辟了载客的定期航线(第一次世界大战期间,德国曾用这种飞艇轰炸伦敦)。第一次世界大战后,齐柏林又建造了两艘巨型飞艇,在欧洲到南美和美国的商业航线上飞行。这种飞艇长245m,容积200000m^3,速度130km/h,载客75名。1937年一次从德国到美国的飞行中它突然起火爆炸,旅客全部遇难,从此飞艇结束了商业飞行。20世纪70年代以后,许多国家又应用新材料、新技术研制新的飞艇来执行巡逻任务和吊装大型设备等。

  2.重于空气的航空器

  人类关于飞行的许多探索和试验是从模仿鸟类的飞行开始的。中外历史文献中都记载着用羽毛制成翅膀尝试飞行的记录,但这些尝试都没有获得成功。19世纪初,英国的G凯利提出了重于空气的航空器的理论,阐明了利用固定机翼产生升力及利用不同翼面控制飞机的设计概念。他制造了第一架滑翔机进行试飞,以验证其理论的有效性,确立了现代飞机的基本构形。他的重要著作《关于空中的航行》为后来航空器的研制提供了重要理论基础和经验。

  为了使飞机能够成功地飞行,必须解决升力、动力和稳定操纵问题。有些人利用蒸汽机作为动力装置进行了探索。1893年汽油内燃机(活塞发动机)问世。20世纪初,美国科学家兰利制造了安装活塞发动机的飞机,1903年的两次试飞均未成功,主要原因是未能解决飞机的稳定、操纵问题。

  当时,有一些人沿着另一条道路对飞行进行探索:用滑翔机试验飞行,解决滑翔机的飞行稳定、操纵问题;然后再加上动力,作动力飞行。德国的李林达尔就是这方面的先驱者。他仔细研究了鸟类的飞行,并仿制成弓形翼剖面的滑翔机,于1891—1896年期间,进行了2000多次滑翔飞行试验,最终解决了滑翔机飞行稳定和操纵问题,并积累了大量数据。他准备在滑翔机上装上发动机作动力飞行试验,但不幸在一次滑翔飞行中失事牺牲,使得这一愿望未能实现。美国的莱特兄弟在李林达尔滑翔飞行活动的鼓舞下,对航空产生了浓厚的兴趣。他们制造滑翔机进行飞行操纵试验;又自己设计制造了风洞,在风洞中试验不同的机翼模型,测定空气动力数据,再根据实验结果改进滑翔机。1902年秋季,他们进行了近千次滑翔飞行,取得了完全成功。1903年他们制造了“飞行者”1号飞机,装上8.8kW的水冷4缸活塞发动机和螺旋桨,飞机总质量约340kg(下图)。1903年11月17日,莱特兄弟驾驶“飞行者”1号飞行了4次,其中第4次飞行最远,约260m,留空59s。这是人类最早的持续动力飞行。

Image:莱特兄弟“飞行者”1号飞机.jpg

运输机外形的演变
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运输机外形的演变

  20世纪初,欧洲也有人从事飞机的研究工作。法国的桑托一杜蒙于1906年、法国的布莱里奥于1909年都成功地飞行了他们自己设计的飞机。布莱里奥驾驶“布莱里奥”Ⅺ号单翼机于1909年首次飞越了英吉利海峡,全程40km,飞行时间37min。

  1914年爆发了第一次世界大战,飞机开始用于军事目的,各国拥有的飞机已达数百架,在初期主要用于侦察和照相。后来由于战争的需要,又出现了带武器的“驱逐机”,其目的是“控制天空”,接下来又出现了轰炸机和强击机。

  第一次世界大战肯定了飞机在战争中的作用,促进了航空科学技术和航空工业的发展。战后,许多国家举办民用航空运输,以继续发展航空工业。1919年开始,已出现了几条定期的国际航线。20世纪20年代初,双翼机逐渐向单翼机过渡,到30年代初期,双翼机已趋于被淘汰。同时出现了起落架可以收放、驾驶舱封闭、发动机加整流罩等一系列提高空气动力效率的构造形式。飞机材料也由木材、层板、亚麻布等逐渐改用铝合金,提高了结构强度,降低了飞行阻力。科学技术新成就大量应用于飞机设计中,飞机性能有了很大提高。1937年苏联的“安特25”从莫斯科直飞美国,1938年飞机升限纪录为17094m,1939年创755.09km/h的飞行速度纪录。

  第二次世界大战中,飞机得到广泛的应用,飞机性能迅速提高,参战飞机数量大,种类多,出现了总质量62.5t的轰炸机和速度达784km/h的战斗机。1944年盟军对德国的轰炸中,曾一天内出动1000架轰炸机和900架护航战斗机。当时所用的飞机,几乎全是用活塞式发动机和螺旋桨推进的,最大速度700km/h以上,可以说已接近活塞式发动机飞机的速度极限。当飞机速度接近声速时,气动阻力急剧增大,活塞式发动机和螺旋桨已难以提供足够的推力(或拉力);同时,由于机翼上气动压力中心的变化,引发了飞机稳定性和操纵性方面的一些新问题,从而为进一步提高飞行速度带来了障碍,这种情况被人们称之为“音障”。要突破“音障”,首先要发动机提供足够的推进力以克服急剧增加的阻力,活塞发动机和螺旋桨已无能为力,而涡轮喷气发动机的出现,解决了这一问题。1939年第一架装有涡轮喷气发动机的飞机——德国的He-178试飞成功。随后,美、英、苏联都先后发展了装有喷气发动机的战斗机和轰炸机。第二次世界大战后,军用飞机基本喷气化。通过空气动力学对跨声速、超声速流动特点的研究和气动弹性力学的研究,解决了超声速飞机设计的一系列问题。在20世纪50年代初期出现了超声速的军用飞机;到60年代,有些战斗机的最大速度已达声速的3倍左右。这时,又遇到所谓“热障”问题,即由于长时间高速飞行产生的气动加热而导致结构材料性能下降的问题。其解决途径主要是研制重量轻、耐高温的新材料和应用新型结构。

  民航飞机使用喷气发动机较晚。1952年第一架装涡轮喷气发动机的民航飞机“彗星”号投入航线运行,但由于它在结构设计时未考虑疲劳断裂问题,在1953—1954年之间连续三次失事。吸取了“彗星”号失事的教训,改进了结构设计之后,20世纪50年代末期出现了多种型号的喷气式旅客机。1968年底,苏联首先试飞了超声速旅客机图-144;1969年初,英法合作研制的“协和”号客机试飞,并于1976年用于航线飞行。上述两种超声速飞机的最大速度略大于声速的两倍。但是超声速客机噪声大、耗油率高,加上超声速飞行时产生的“声爆”对地面有不利影响,最终都限制了它的应用和发展。

  无论是作为战争的武器,还是作为空中运输的工具,都对速度有要求,不断提高飞行速度一度成为飞机发展的主要努力方向。改善飞机气动性能,增大升力、减小阻力,确保操纵性与稳定性以及提高动力装置的功率,则成为飞机发展的主要途径。

  改善气动性能主要是减小阻力、增大升力,由此飞机外形发生了一系列演变(如右图)。外形的改变与动力装置的不断改进,使飞行速度呈现指数曲线上升。下图所示为1903--1960年飞机飞行速度增长特性。从记载的飞行速度记录可以看出,大致每隔10~12年,飞行速度就翻一番。20世纪60年代飞行速度纪录已超过了3000km/h。某些研究飞机的飞行速度已相当高,比如X-15飞机在1967年10月创下6.7Ma纪录,在2005年11月X一43A无人机的成功试飞达9.7Ma。

Image:飞机飞行速度增长曲线.jpg

参考文献

  1. 李永.民航基础知识教程.中国民航出版社,2005.8
  2. 钟长生,阎成鸿.航空器系统与动力装置.西南交通大学出版社,2008.10
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