航空器

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航空器(Aircraft)

目錄

什麼是航空器

  航空器是指依靠空氣的反作用力而不是空氣對地面的反作用力在大氣中獲得支承的任何機械。航空器包括在大氣層內活動的各類飛行器,而飛機只是航空器中的一種,飛機是依靠自身動力和依托固定的機翼進行飛行,也可以說飛機是依靠空氣動力並剋服自身重力而實現飛行的。

  航空器在空中必須剋服各種阻力才可以飛行,而大氣層中的各種氣象條件和空氣動力對航空器飛行具有各種各樣的影響。飛行器在大氣層中飛行,還是大氣層外飛行,是具有本質的區別。飛機是依靠空氣動力剋服自身重力實現升空的。除了飛機之外還有風箏、氣球、飛艇、滑翔機、直升機等等都是航空器。

航空器的分類[1]

  航空器依據獲得升力方式的不同分為兩大類,一類是輕於空氣的航空器,依靠空氣的浮力飄浮於空中,如氣球、飛艇等;另一類是重於空氣的飛行器,包括非動力驅動和動力驅動兩種類型,具體見下圖。

Image:航空器的分类.jpg

航空器發展簡史[2]

  1.輕於空氣的航空器

  利用空氣靜浮力升空,在技術上是較易實現的。中國在10世紀初期就有類似於熱氣球的“孔明燈”出現,升入空中作為戰爭中的聯絡信號。18世紀末期,法國蒙哥爾費兄弟的熱氣球載上一些動物升空飛行了8min後安全降落。1783年10月15日FP羅奇埃乘熱氣球上升到26rn高度,飛行4.5min。同年11月21日,羅奇埃和達爾朗德又乘熱氣球在約1000m高度用12min飛行了約12km。這是人類乘航空器首次飛行。隨後,法國的物理學家查理製成了以絲綢作氣囊充以氫氣的氣球,升空915m,飄行了約25km後降落。後來他又製造了一隻更大的氣球,下系可以載人的弔籃。他和一位同伴乘這隻氣球在空中飄行50km,留空時間超過2h。氣球的出現激起了人們對乘氣球飛行的熱情,並有人致力於飛艇的研究。經過多年的探索和試驗,製成了帶動力、可操縱的飛艇,並升空飛行。1900年,德國的齊柏林製成了長128m,容積11300m^3的硬式飛艇,巡航速度為60km/h,並於1910年開闢了載客的定期航線(第一次世界大戰期間,德國曾用這種飛艇轟炸倫敦)。第一次世界大戰後,齊柏林又建造了兩艘巨型飛艇,在歐洲到南美和美國的商業航線上飛行。這種飛艇長245m,容積200000m^3,速度130km/h,載客75名。1937年一次從德國到美國的飛行中它突然起火爆炸,旅客全部遇難,從此飛艇結束了商業飛行。20世紀70年代以後,許多國家又應用新材料、新技術研製新的飛艇來執行巡邏任務和吊裝大型設備等。

  2.重於空氣的航空器

  人類關於飛行的許多探索和試驗是從模仿鳥類的飛行開始的。中外歷史文獻中都記載著用羽毛製成翅膀嘗試飛行的記錄,但這些嘗試都沒有獲得成功。19世紀初,英國的G凱利提出了重於空氣的航空器的理論,闡明瞭利用固定機翼產生升力及利用不同翼面控制飛機的設計概念。他製造了第一架滑翔機進行試飛,以驗證其理論的有效性,確立了現代飛機的基本構形。他的重要著作《關於空中的航行》為後來航空器的研製提供了重要理論基礎和經驗。

  為了使飛機能夠成功地飛行,必須解決升力、動力和穩定操縱問題。有些人利用蒸汽機作為動力裝置進行了探索。1893年汽油內燃機(活塞發動機)問世。20世紀初,美國科學家蘭利製造了安裝活塞發動機的飛機,1903年的兩次試飛均未成功,主要原因是未能解決飛機的穩定、操縱問題。

  當時,有一些人沿著另一條道路對飛行進行探索:用滑翔機試驗飛行,解決滑翔機的飛行穩定、操縱問題;然後再加上動力,作動力飛行。德國的李林達爾就是這方面的先驅者。他仔細研究了鳥類的飛行,並仿製成弓形翼剖面的滑翔機,於1891—1896年期間,進行了2000多次滑翔飛行試驗,最終解決了滑翔機飛行穩定和操縱問題,並積累了大量數據。他準備在滑翔機上裝上發動機作動力飛行試驗,但不幸在一次滑翔飛行中失事犧牲,使得這一願望未能實現。美國的萊特兄弟在李林達爾滑翔飛行活動的鼓舞下,對航空產生了濃厚的興趣。他們製造滑翔機進行飛行操縱試驗;又自己設計製造了風洞,在風洞中試驗不同的機翼模型,測定空氣動力數據,再根據實驗結果改進滑翔機。1902年秋季,他們進行了近千次滑翔飛行,取得了完全成功。1903年他們製造了“飛行者”1號飛機,裝上8.8kW的水冷4缸活塞發動機和螺旋槳,飛機總質量約340kg(下圖)。1903年11月17日,萊特兄弟駕駛“飛行者”1號飛行了4次,其中第4次飛行最遠,約260m,留空59s。這是人類最早的持續動力飛行。

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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運輸機外形的演變

  20世紀初,歐洲也有人從事飛機的研究工作。法國的桑托一杜蒙於1906年、法國的布萊里奧於1909年都成功地飛行了他們自己設計的飛機。布萊里奧駕駛“布萊里奧”Ⅺ號單翼機於1909年首次飛越了英吉利海峽,全程40km,飛行時間37min。

  1914年爆發了第一次世界大戰,飛機開始用於軍事目的,各國擁有的飛機已達數百架,在初期主要用於偵察和照相。後來由於戰爭的需要,又出現了帶武器的“驅逐機”,其目的是“控制天空”,接下來又出現了轟炸機和強擊機。

  第一次世界大戰肯定了飛機在戰爭中的作用,促進了航空科學技術和航空工業的發展。戰後,許多國家舉辦民用航空運輸,以繼續發展航空工業。1919年開始,已出現了幾條定期的國際航線。20世紀20年代初,雙翼機逐漸向單翼機過渡,到30年代初期,雙翼機已趨於被淘汰。同時出現了起落架可以收放、駕駛艙封閉、發動機加整流罩等一系列提高空氣動力效率的構造形式。飛機材料也由木材、層板、亞麻布等逐漸改用鋁合金,提高了結構強度,降低了飛行阻力。科學技術新成就大量應用於飛機設計中,飛機性能有了很大提高。1937年蘇聯的“安特25”從莫斯科直飛美國,1938年飛機升限紀錄為17094m,1939年創755.09km/h的飛行速度紀錄。

  第二次世界大戰中,飛機得到廣泛的應用,飛機性能迅速提高,參戰飛機數量大,種類多,出現了總質量62.5t的轟炸機和速度達784km/h的戰鬥機。1944年盟軍對德國的轟炸中,曾一天內出動1000架轟炸機和900架護航戰鬥機。當時所用的飛機,幾乎全是用活塞式發動機和螺旋槳推進的,最大速度700km/h以上,可以說已接近活塞式發動機飛機的速度極限。當飛機速度接近聲速時,氣動阻力急劇增大,活塞式發動機和螺旋槳已難以提供足夠的推力(或拉力);同時,由於機翼上氣動壓力中心的變化,引發了飛機穩定性和操縱性方面的一些新問題,從而為進一步提高飛行速度帶來了障礙,這種情況被人們稱之為“音障”。要突破“音障”,首先要發動機提供足夠的推進力以剋服急劇增加的阻力,活塞發動機和螺旋槳已無能為力,而渦輪噴氣發動機的出現,解決了這一問題。1939年第一架裝有渦輪噴氣發動機的飛機——德國的He-178試飛成功。隨後,美、英、蘇聯都先後發展了裝有噴氣發動機的戰鬥機和轟炸機。第二次世界大戰後,軍用飛機基本噴氣化。通過空氣動力學對跨聲速、超聲速流動特點的研究和氣動彈性力學的研究,解決了超聲速飛機設計的一系列問題。在20世紀50年代初期出現了超聲速的軍用飛機;到60年代,有些戰鬥機的最大速度已達聲速的3倍左右。這時,又遇到所謂“熱障”問題,即由於長時間高速飛行產生的氣動加熱而導致結構材料性能下降的問題。其解決途徑主要是研製重量輕、耐高溫的新材料和應用新型結構。

  民航飛機使用噴氣發動機較晚。1952年第一架裝渦輪噴氣發動機的民航飛機“彗星”號投入航線運行,但由於它在結構設計時未考慮疲勞斷裂問題,在1953—1954年之間連續三次失事。吸取了“彗星”號失事的教訓,改進了結構設計之後,20世紀50年代末期出現了多種型號的噴氣式旅客機。1968年底,蘇聯首先試飛了超聲速旅客機圖-144;1969年初,英法合作研製的“協和”號客機試飛,並於1976年用於航線飛行。上述兩種超聲速飛機的最大速度略大於聲速的兩倍。但是超聲速客機雜訊大、耗油率高,加上超聲速飛行時產生的“聲爆”對地面有不利影響,最終都限制了它的應用和發展。

  無論是作為戰爭的武器,還是作為空中運輸的工具,都對速度有要求,不斷提高飛行速度一度成為飛機發展的主要努力方向。改善飛機氣動性能,增大升力、減小阻力,確保操縱性與穩定性以及提高動力裝置的功率,則成為飛機發展的主要途徑。

  改善氣動性能主要是減小阻力、增大升力,由此飛機外形發生了一系列演變(如右圖)。外形的改變與動力裝置的不斷改進,使飛行速度呈現指數曲線上升。下圖所示為1903--1960年飛機飛行速度增長特性。從記載的飛行速度記錄可以看出,大致每隔10~12年,飛行速度就翻一番。20世紀60年代飛行速度紀錄已超過了3000km/h。某些研究飛機的飛行速度已相當高,比如X-15飛機在1967年10月創下6.7Ma紀錄,在2005年11月X一43A無人機的成功試飛達9.7Ma。

Image:飞机飞行速度增长曲线.jpg

參考文獻

  1. 李永.民航基礎知識教程.中國民航出版社,2005.8
  2. 鐘長生,閻成鴻.航空器系統與動力裝置.西南交通大學出版社,2008.10
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