一絲的希望

由動力裝置產生前進推力﹐由固定機翼產生升力﹐在大氣層中飛行的重於空氣的航空器。無動力裝置的滑翔機﹑以旋翼作為主要升力面的直昇機以及在大氣層外飛行的航天飛機都不屬飛機的範圍。但在日常生活中﹐有人習慣地將氣球﹑飛艇以外的航空器泛稱飛機。

飛機的發展 1903年12月7日﹐美國萊特兄弟設計製造的“飛行者” 1號進行了成功的試飛。這是人類首次成功地用重於空氣的航空器實現有動力﹑可操縱的持續飛行。萊特兄弟的飛機是一架鴨式飛機﹐ 機翼和鴨翼均採取雙翼型式﹐機翼面積45平方米﹐推進動力為一台8.8千瓦(12馬力)的內燃機﹐飛機總重340公斤。在4次飛行中飛行高度僅2～3米﹐ 第一次留空時間12秒﹐飛行距離36.5米﹐最好的一次也不過留空59秒﹐前進了260米。在這以前﹐法國的 F.坦普爾﹑俄國A.Φ.莫扎依斯基﹑美國的H.S.馬克西姆和蘭利﹐S.P.等人分別在1874年﹑1882年﹑1894年和1903年10月試飛過自 己建造的飛機﹐但都沒有成功。其中一個原因是缺乏重量輕的發動機。他們的飛機大多採用笨重的蒸汽機作為動力﹐使得飛機過於笨重而無法自己起飛昇空﹐重量較 輕的內燃機的出現﹐為萊特兄弟飛機的成功提供了一個重要條件。其次﹐在萊特兄弟以前的飛機上都沒有解決飛行穩定和操縱問題以及結構剛度不足的問題﹐因而不 能持續安全飛行。在學習﹑繼承前人滑翔飛行經驗的基礎上﹐萊特兄弟在自己設計的飛機上安裝了可偏轉的前(鴨)翼和垂直尾翼﹐分別實現俯仰和航向操縱﹐橫向 操縱則依靠扭翹機翼來實現﹐從而使飛機在操縱之下持續飛行。儘管橫向操縱方式不如現代飛機上的副翼操縱簡單有效﹐但在當時已是傑出的發明。

1903年以後的30年內﹐飛機在軍事方面得到廣泛應用﹐性能不斷提高﹐構造不斷完善﹐但仍然保持著雙翼機的型式。這時活塞式航空發動機的功率雖已增大﹐ 但還不足以使飛機達到較高的飛行速度。當時製造飛機的材料仍以木材和蒙布為主﹐結構比較笨重。為了保證飛行安全﹐仍然需要機翼面積較大的雙翼機。同時雙翼 機在減輕結構重量﹑增加有效載重和提高機翼剛度方面也有很大優點。30年代以後﹐冶金和機械製造技術的進步使活塞式發動機不斷完善﹐功率增大﹐重量減輕﹐ 飛機的飛行速度不斷提高﹐這時雙翼機阻力大(主要由上下翼面間的支柱和張線造成)的缺點便暴露出來。為了進一步提高飛行速度﹐迫切需要取消機翼上的支柱和 張線﹐把雙翼機改為單翼機。由於強度高﹑重量輕的硬鋁合金問世和結構分析技術的完善﹐使得有可能在不過分增加結構重量的情況下用全金屬的單翼機代替雙翼 機。同時由於機翼上普遍採用增昇裝置﹐也可在不惡化起飛著陸性能的條件下減小機翼面積。再加上其他改善飛機氣動外形的措施﹐如改用封閉座艙﹐ 發動機加整流罩﹐採用收放起落架等﹐到30年代末飛機速度已提高到500公里/時。

在進一步提高飛機飛行速度的過程中﹐單翼機因機翼﹑尾翼扭轉剛度不足而出現副翼反逆和顫振﹐多次因振動發生災難性的飛行事故。人們開始尋找事故的原因﹐研 究和掌握結構變形與氣動力交互作用的機理﹐氣動彈性力學遂得以建立和發展。20世紀40年代以後﹐由於科學研究工作的進展﹐顫振問題已不再成為提高飛機速 度的障礙。

第二次世界大戰末期和戰後﹐飛機速度已接近音速。進一步提高飛行速度需要巨大的功率﹐這是活塞式發動機難以達到的﹐這時螺旋槳的效率也隨速度增加而急劇下 降。同時傳統外形的飛機在接近音速時阻力劇增﹐出現嚴重的操縱穩定問題﹐飛機碰到了所謂“音障”。超越音障是從兩個方面解決的﹕一是改用渦輪噴氣發動機﹐ 這種發動機構造簡單﹑重量輕﹑超音速時推進效率高﹐特別是它的巨大功率是超音速飛行的理想動力﹔二是採用後掠機翼﹑減小機翼厚度和利用面積律設計飛機外形 ﹐大大降低超音速飛行的阻力。這樣﹐飛機便平穩地穿過音障﹐實現超音速飛行。

飛機在超音速飛行時﹐由於氣動加熱和表面摩擦受熱使機體結構處在高溫環境下。由於材料耐熱強度的限制﹐對於鋁合金結構的飛機﹐最大速度不能超過馬赫數 2.2～2.5。這時環境溫度約為120～150。英國和法國在60年代開始研製的“協和”號超音速旅客機就將巡航速度的馬赫數選為 2.2。這種飛機研製成功是一個重大的技術突破﹐但是它的巡航經濟性仍遠低於高亞音速旅客機﹐因而只生產了16架就停止了。

飛機的速度範圍和高度範圍在不斷擴大﹐超音速飛機不僅要以超音速飛行﹐還要在高空以高亞音速巡航﹐以保持較高的飛行效率﹐同時又要在有限的場地上用較低的 速度安全起飛和著陸。為了同時有良好的高﹑低速和高﹑低空飛行性能﹐又出現了變後掠翼飛機和斜翼機。前者的機翼在變後掠角的同時﹐也改變機翼展弦比和相對 厚度。為徹底擺脫飛機對機場的依賴﹐人們一直在研究製造能垂直起落的飛機﹐在這方面還只取得有限的進展。

飛機分類 飛機按用途分為軍用飛機和民用機兩大類。軍用飛機是按各種軍事用途設計的飛機﹐其中主要包括殲擊機(戰鬥機)﹑截擊機﹑殲擊轟炸機﹑強擊機(攻擊機)﹑轟 炸機﹑反潛機﹑偵察機﹑預警機﹑電子干擾飛機﹑軍用運輸機﹑空中加油機﹑艦載飛機等。民用機則泛指一切非軍事用途的飛機﹐包括旅客機﹑貨機﹑公務機﹑農業 飛機﹑運動機﹑救護機﹑試驗研究機等。其中旅客機﹑貨機和客貨兩用飛機又統稱民用運輸機。現代運輸機具有快速﹑舒適﹑安全可靠的優點﹐並且不受複雜地形的 影響﹐能在兩地之間完成最短距離的航行。

飛機還可按組成部件的外形﹑數目和相對位置的不同來劃分型式(圖1 飛機分類 顯示圖片)。

飛機按機翼數目的不同分為單翼機﹑雙翼機和多翼機。雙翼機和多翼機的機翼面積大﹑剛度好﹑結構重量輕﹐因而低速機動性比較好﹐但飛行阻力較大。30年代開 始﹐大部分飛機都採用阻力小的單翼機型式。按照機翼相對機身上下位置的不同﹐可分為下單翼飛機﹑中單翼飛機和上單翼飛機。一般來說﹐中單翼飛機氣動外形最 好﹐但是機翼結構穿過機身中部影響機身內部空間的利用。所以旅客機和運輸機都採用下單翼或上單翼型式﹐以使客艙或貨艙保持完整﹑通暢。按機翼平面形狀可分 為平直翼飛機﹑後掠翼飛機﹑三角翼飛機和前掠翼飛機。早期的飛機多採用矩形平直機翼﹐以便於製造。以後為減輕結構重量﹑減小阻力﹐多採用橢圓形和梯形平直 翼。當飛機飛行速度接近音速時﹐為推遲和減弱空氣壓縮效應引起的不利影響又研製出後掠翼和三角翼飛機。前掠翼飛機由於存在彎扭擴散問題而較少應用。隨著先 進複合材料結構技術的進步﹐前掠翼飛機的結構缺點有可能得到克服。在垂直起落飛機試驗方案中還出現過環翼飛機﹐其機翼好像一個無底圓桶﹐由於氣動效率低而 沒有得到發展。

按水平尾翼的有無和前後位置不同﹐可分為正常式飛機(水平尾翼在機翼之後)﹑鴨式飛機(在機翼的前面有鴨翼﹐或稱為前翼)和無尾飛機(沒有水平尾翼)。在 正常式飛機中﹐水平尾翼起俯仰穩定和操縱作用。鴨式飛機的前翼只起俯仰操縱或對機翼形成有利干擾的作用。無尾飛機的平衡和操縱功能由機翼後緣的昇降副翼來 完成。按水平尾翼相對於機翼弦平面上下位置的不同﹐又可分為低平尾和高平尾布局的飛機。當水平尾翼裝在垂直尾翼頂端時﹐稱為T尾飛機。按垂直尾翼的數目不 同﹐可分為單垂尾飛機﹑雙垂尾飛機和多垂尾飛機。

按機身型式可分為正常機身(單機身)式和尾撐式飛機。尾撐與正常機身的區別在於它僅用來連接飛機的尾翼﹐所以比機身細得多。飛機還可做成雙機身式或雙尾撐式﹐但不多見。

按推進裝置的不同﹐飛機可分為螺旋槳飛機和噴氣飛機。按發動機類型的不同﹐螺旋槳飛機又分為活塞式飛機和渦輪螺旋槳飛機﹔噴氣飛機中有渦輪噴氣飛機﹑渦輪 風扇飛機﹑衝壓發動機飛機和火箭飛機。曾經試驗過將幾種不同類型發動機裝在同一架飛機上的方案﹐稱為組合動力裝置飛機。按一架飛機上發動機的數目不同﹐可 分為單發動機飛機﹑雙發動機飛機﹑三發動機飛機和四發動機飛機。四發動機以上的多發動機飛機由於布置和使用不便﹐現已少見。靠飛機上的太陽電池吸收太陽輻 射能﹐用以驅動螺旋槳的飛機稱太陽能飛機。在人力飛機上﹐人不僅是駕駛員﹐同時又是飛機的動力裝置。由於人的體力和耐久力有限﹐只有在極輕的飛機上以很低 的速度飛行時才有可能實現人力飛行。

按飛機起落架支點相對於飛機重心的位置特徵不同﹐分前三點式起落架飛機﹑後三點式起落架飛機和自行車式起落架飛機。此外根據起落架滑行裝置的不同﹐又有輪 式﹑滑橇式和浮筒式飛機之分。滑橇式飛機用於冰上或雪地起降和滑行。輕型水上飛機多採用浮筒式。在陸地和水上都能起降的兩棲(或稱水陸兩用)飛機兼有輪式 起落架和浮筒式起落架(或船身)。

飛機還常依性能特點分類。按最大飛行速度不同分為亞音速飛機和超音速飛機。亞音速飛機又分為低速飛機(飛行速度在400公里/時以下)和高亞音速飛機(飛 行馬赫數為0.8～0.9)。大多數噴氣式旅客機都屬於高亞音速飛機﹐它們的飛行效率比較高。大多數戰鬥機都是超音速飛機。按飛行航程的不同可分為近程飛 機﹑中程飛機和遠程飛機。遠程飛機的航程足以完成中途不著陸的洲際跨洋飛行。近程飛機的航程一般在1000公里以下﹐中程飛機的航程在3000公里左右。 按飛機起飛降落距離的不同﹐又可分為常規起落飛機﹑短距起落飛機和垂直起落飛機。垂直起落飛機也可用短距起落方式實現超載起飛﹐有時也稱垂直和短距起落飛 機。

飛機組成 飛機的主要組成部件有機翼﹑尾翼﹑機身﹑起落架﹑飛機操縱系統﹑飛機動力裝置和機載設備等(圖2 飛機的主要組成部件 顯示圖片)。機翼是飛機產生升力的部分。通常在機翼上有用於橫向操縱的副翼和擾流片﹐機翼前後緣部分還設有各種型式的襟翼﹐用於增加升力或改變機翼升力的 分布(見增昇裝置)。

尾翼通常在飛機尾部﹐分為水平尾翼和垂直尾翼兩部分。個別飛機的尾翼設計成V形﹐它兼起縱向和航向穩定﹑操縱的作用﹐稱為V形尾翼。一般水平尾翼由水平安 定面和昇降舵組成﹐垂直尾翼由垂直安定面和方向舵組成。在超音速飛機上﹐為了提高飛機縱向操縱能力﹐常將水平尾翼做成一個整體(不分水平安定面和昇降 舵)﹐它可以操縱偏轉﹐稱為全動平尾。有的飛機上(主要是變後掠翼飛機)還將全動水平尾翼設計成可以差動偏轉的型式﹐即平尾的左右兩半翼面不僅可以同向偏 轉﹐且可反向偏轉﹐此時可起橫向操縱作用﹐這種型式稱差動平尾。帶方向舵的垂直尾翼已能滿足超音速飛行時的航向操縱要求﹐所以較少採用全動垂直尾翼。在有 些飛機上﹐ 水平尾翼不是裝在飛機尾部﹐而是移到機翼的前面﹐它稱為前翼或鴨翼。

機身處於飛機的中央﹐主要用於容納人員﹑貨物或其他載重和設備﹐別的部件也多與機身相連。但是機身並不是飛機不可缺少的部件﹐早期飛機僅有一個連接各部件 的構架 ﹐這樣的機身在初級滑翔機和超輕型飛機上還可見到。以後為了減少阻力﹐發展成為流線外形的機身﹐並用以容納貨物﹑人員和設備等體積較大的載重物。如果飛機 足夠大﹐能將人員﹑貨物﹑燃油等全部裝在機翼內部﹐則可以取消機身﹐成為飛翼式飛機﹐簡稱飛翼。

起落架是飛機起飛﹑著陸滑跑和在地面(或水面)停放﹑滑行中支持飛機的裝置﹐一般由承力支柱﹑減震器﹑帶剎車的機輪(或滑橇﹑浮筒)和收放機構組成。在低 速飛機上用不可收放的固定式起落架以減輕重量﹐在支柱和機輪上有時裝整流罩以減小阻力。對於陸地上或艦上起落的飛機用機輪﹐在冰上或雪地起落的飛機用滑橇 代替機輪﹐浮筒式水上飛機則代之以浮筒。

操縱系統包括駕駛杆(盤)﹑腳蹬﹑拉杆﹑搖臂或鋼索﹑滑輪等。駕駛杆(盤)控制昇降舵(或全動水平尾翼)和副翼﹐腳蹬控制方向舵。為了改善操縱性和穩定性﹐現代飛機操縱系統中還配備有各種助力系統(液壓的和電動的)﹑增穩裝置和自動駕駛儀等。

動力裝置包括產生推力的發動機和保證發動機正常工作所需的附件和系統﹐其中包括發動機的起動﹑操縱﹑固定﹑燃油﹑滑油﹑散熱﹑防火﹑滅火﹑進氣和排氣等裝置或系統(見飛機燃油系統﹑發動機固定裝置)。

機載設備包括飛行儀錶﹑通信﹑導航﹑環境控制﹑生命保障﹑能源供給等設備﹐以及與飛機用途有關的一些機載設備﹐如戰鬥機的武器和火控系統﹐旅客機的客艙生活服務設施等。

飛行效率 在所有航空器中﹐飛機具有速度快﹑載重大和飛行效率高的優點。在燃料﹑發動機和推進裝置一定的條件下﹐運載工具的效率可用載重量和飛行距離來衡量。飛行阻 力越小﹐飛行的能量消耗越小﹐飛行距離就越大。但是飛行阻力中有相當大的一部分是由升力引起的。載重量越大﹐飛機重力和平衡它的升力也越大﹐因而阻力也隨 之增大﹐所以常用升力與阻力的比值(昇阻比)來衡量航空器的飛行效率。現代亞音速飛機的昇阻比最大可達15～20﹐即在空中每支持147～196牛 (15～20公斤力)的重力需要付出9.8牛(1公斤力)推力的代價。飛機的能量消耗於克服阻力﹐而不是直接用於支持飛機重量。直昇機則不同﹐它是由發動 機驅動旋翼﹐在懸停狀態全部能量消耗於向下加速空氣﹐產生升力支持重力。在前飛時仍有相當多的能量直接消耗於產生升力﹐所以它的飛行效率低於飛機﹐載重量 和飛行速度也遠遠不如飛機。飛艇的重力依靠氣囊浮力來支持﹐看來不需要付出能量的代價﹐但是龐大的艇體使它在高速前進中產生很大的阻力﹐ 同樣需要消耗很大的能量。如果用升阻比來衡量﹐飛艇在飛行速度很小時昇阻比很高。當飛行速度增大時﹐浮力不變而阻力與速度平方成正比增加﹐所以昇阻比急劇 下降。當飛行時速超過200公里/時﹐將低於一般飛機的昇阻比。噴氣式超音速飛機在超音速飛行時推進效率大為提高﹐但是它的昇阻比太低﹐例如在馬赫數為 2.2時約為7﹐總的巡航效率還是比高亞音速飛機低。所以現代運輸機都用高亞音速巡航﹐甚至超音速轟炸機和戰鬥機也用高亞音速進行遠程巡航﹐(見彩圖 萊特兄弟飛機(1903年) 顯示圖片﹑ 中國新型高空高速殲擊機 顯示圖片﹑ 裝備部隊的高空高速殲擊機 顯示圖片﹑ 殲教5飛行表演 顯示圖片﹑ 強5飛機 顯示圖片﹑ 運8中型運輸機 顯示圖片﹑ 強5機群 顯示圖片﹑ 初教6飛機 顯示圖片﹑ 直5直昇機 顯示圖片﹑ 殲6飛機在西沙群島上空巡航 顯示圖片﹑ 殲7飛機編隊飛行 顯示圖片﹑ 轟6飛機編隊飛行 顯示圖片﹑ 殲7飛機靜力試驗 顯示圖片﹑ 機身壁板製造 顯示圖片﹑ 總裝車間 顯示圖片﹑ 後機身製造 顯示圖片﹑ 後機身裝配 顯示圖片﹑ 發動機安裝 顯示圖片﹑ 轟6飛機總裝 顯示圖片﹑ 出廠前試飛 顯示圖片﹑ 強5飛機總裝 顯示圖片﹑ 全機系統試驗 顯示圖片﹑ 發動機總裝 顯示圖片﹑ 航空發動機 顯示圖片﹑ 渦輪噴氣發動機 顯示圖片﹑ 發動機試車 顯示圖片﹑ 運7中短程支線運輸機 顯示圖片﹑ 運12多用途飛機 顯示圖片﹑ 波音 747旅客機 顯示圖片﹑ 波音707旅客機 顯示圖片﹑ 伊爾62旅客機 顯示圖片﹑ MD-80旅客機 顯示圖片﹑ 波音737旅客機 顯示圖片﹑ 運10飛機飛抵拉薩 顯示圖片﹑ “雲雀”直昇機 顯示圖片﹑ “雙水獺”飛機 顯示圖片﹑ 貝爾 212直昇機 顯示圖片﹑ “海豚”直昇機 顯示圖片﹑ BO-105直昇機 顯示圖片﹑ S-76直昇機 顯示圖片﹑ “幻影”4000戰鬥機 顯示圖片﹑ “狂風”變後掠翼戰鬥機 顯示圖片﹑ A-10攻擊機 顯示圖片﹑ 渦輪噴氣發動機 顯示圖片﹑ B-1變後掠翼轟炸機 顯示圖片﹑ C-5巨型運輸機 顯示圖片﹑ SR-71高空高速偵察機 顯示圖片﹑ 空中加油 顯示圖片﹑ 直昇機結構圖 顯示圖片﹑ 艦載直昇機 顯示圖片﹑ 米12重型直昇機 顯示圖片﹑ AH-64武裝直昇機 顯示圖片﹑ 垂直起落飛機結構圖 顯示圖片﹑ XV-15垂直起落飛機 顯示圖片﹑ “海鷂”垂直起落飛機 顯示圖片﹑ 推力換向渦輪風扇發動機 顯示圖片﹑ X-1超音速試驗飛機 顯示圖片﹑ 超音速飛機風洞紋影照片 顯示圖片﹑ “協和”號超音速旅客機 顯示圖片﹑ 翼型在不同速度下的風洞紋影照片 顯示圖片﹑ “協和”號模型風洞實驗 顯示圖片﹑ 吊掛在B-52機翼下的X-15試驗研究機 顯示圖片﹑ X-15超高速試驗研究機 顯示圖片﹑ 飛機模型防熱試驗 顯示圖片﹑ 人力飛機 顯示圖片﹑ 太陽能飛機 顯示圖片﹑ 寬機身旅客機(波音747)結構圖 顯示圖片)