网站地图
航空器

航空器(aircraft) 能在大气层内进行可控飞行的飞行器。任何航空器都必须产生大于自身重力的升力,才能升入空中。根据产生升力的原理,航空器可分为两大类:轻于空气的航空器和重于空气的航空器。前者靠空气静浮力升空;后者靠空气动力克服自身重力升空。 [1]

航空器是飞行器中的一个大类,是指通过机身与空气的相对运动(不是由空气对地面发生的反作用)而获得空气动力升空飞行的任何机器。 [2] 包括气球、飞艇、飞机、滑翔机、旋翼机、直升机、扑翼机、倾转旋翼机等。

飞机是常见的一种航空器。无动力装置的滑翔机以旋翼作为主要升力面的直升机以及在大气层外飞行的航天飞机都不属飞机的范围。

能在大气层内进行可控飞行的各种。任何航空器都必须产生一个大于自身重力的向上的力,才能升入空中。根据产生向上力的基本原理的不同,航空器可划分为两大类:轻于空气的航空器和重于空气的航空器。前者靠空气静浮力升空;后者靠空气动力克服自身重力升空。

根据构造特点可进一步分为下列几种类型:

轻于空气的航空器的主体是一个气囊,其中充以密度较空气小得多的气体(氢或氦),利用大气的浮力使航空器升空,气球和飞艇都是轻于空气的航空器,二者的主要区别是前者没有动力装置,升空后只能随风飘动,或者被系留在某一固定位置上,不能进行控制;后者装有发动机、安定面和操纵面,可以控制飞行方向和路线。 [2]

重于空气的航空器的升力是由其自身与空气相对运动产生的。

主要由固定的机翼产生升力。旋翼航空器主要由旋转的产生升力。

飞机是最主要的、应用范围最广的航空器。它的特点是装有提供拉力或推力的动力装置,产生升力的固定,控制飞行姿态的操纵面。

滑翔机与飞机的根本区别是,它升高以后不用动力而靠自身重力在飞行方向的分力向前滑翔。虽然有些滑翔机装有小型发动机(称为动力滑翔机),但主要是在滑翔飞行前用来获得初始高度。

旋翼航空器由旋转的旋翼产生空气动力。

旋翼机的旋翼没有动力驱动,当它在动力装置提供的拉力作用下前进时,迎面气流吹动旋翼像风车似地旋转,从而产生升力。有的旋翼机还装有固定小翼面,由它提供一部分升力。

直升机的旋翼是由发动机驱动的,升力和水平运动所需的拉力都由旋翼产生。

扑翼机又名振翼机。它是人类早期试图模仿鸟类飞行而制造的一种航空器。它用像飞鸟翅膀那样扑动的翼面产生升力和拉力,但是,由于人们对鸟类飞行时翅膀的复杂运动还没有完全了解清楚,加之制造像鸟翅膀那样扑动的翼面还有许多技术上的困难,扑翼机至今还没有获得成功。

倾转旋翼机(英语:Tiltrotor),也叫可倾斜旋翼机),是一种同时具有旋翼和固定翼,并在机翼两侧翼梢处各安装有一套可在水平和垂直位置之间转动的可倾转旋翼系统的航空器。倾转旋翼机在引擎旋转到垂直位置时相当于横列式直升机,可进行垂直起降、悬停、低速空中盘旋等直升机的飞行动作;而在引擎旋转至水平位置时相当于螺旋桨飞机,可实现比直升机更快的航速。以上特点使得倾转旋翼机兼具直升机和固定翼飞机的优点,应用前景十分看好。 [3]

原理:空气动力学

当空气和物体迎面相对时,该物体四周的气流形态取决于物体本身的形态和流动速度,一道稳定的气流可汇成一组连续的、流畅的、几乎平行的线条,这种线条称为流线。因此,世人称某些物体呈现流线型即表明它的形状可以使周围的空气很平滑地流过。在流线上流动非常有规则,不会出现四处乱流,则称为层流。 [2]

飞行物的层流模型

当空气流经表面呈现弧形的物体时,流速就会异常加快,而流线之间的距离也紧密起来,直到流过该物体为止。如该物体的表面不够平滑,则空气不会一次流动,而是出现扰流。在物体的后线也有可能出现涡流,这是空气的脉动现象,研究表明,物体在层流中比在扰流中受到更小的阻力。 [2]

扰流中受到更小的阻力

空气动力学在飞行器设计上有实际应用,其主要受到空气动力的两个分力影响,升力和阻力。

物体在空气中运动的线路称作相对风。气体动力在相对风的方向垂直产生的分力就是升力。而与相对风平行但反方向运动的分力就是阻力,即试图将物体向后拉,阻碍前进的力。阻力部分来自于升力,部分源于物体形状和表面摩擦力。

形状对称的物体如按照对称轴对准相对风而运动时,就不会有升力,仅会有部分阻力。如对称轴与相对风呈现一定的角度,就会同时产生升力和阻力,共同构成合力。

受力情况

在设计航空的飞行器时,须以高升阻比为最佳方案。翼剖面,这是指设计成能够产生最大升力的表面,飞机的基本翼剖面就是机翼。早期的翼剖面在较快的速度中容易出现扰流,而由于各种科学和实验的进展,逐渐发现弧形表面才是翼剖面的最佳方案。 [2]

一个稳定飞行的航空器,其身上会有各种力的相互抵销,主要由四个,升力、阻力、重力和推力。

以飞机为例。当飞机飞行时,其动力系统需能产生足够抵消气流阻力的推力,飞机的升力总是也必须与其自身重量相抗衡,否则飞机就会掉下去。按照简单的来看,机身与机尾所产生的升力与机翼的相差甚大,尤其是低音速飞行时更是如此。 [2]

受力情况

航空器在飞行时,除了要维持平衡以外,还要保持稳定性,即飞行时受到外部干扰后,能够恢复到原来的姿态;如非这样,航空器就需要以新的姿态飞行,称其稳定性为“中性”。如航空器遇到干扰后,不仅无法还原至先前的状态,而是持续地产生姿态的改变,这样就是“不稳定”。

一个飞行器按照三根轴可以有三种自由运动,侧向、纵向及垂直,而运动也分为移动和转动,所以飞行器运动会有6个自由度。

飞行器在侧向轴上转动就称为俯仰。飞行器沿着垂直轴的转动称作偏航,右转偏航就是正向偏航。飞行器于纵向轴的转动既是侧滚。 [2]

三个轴向旋转运动

如飞行速度达到音速时,飞行器的基本状态除了要保持平衡和稳定以外,其他条件就重要起来,如与空气的摩擦力,及维持飞行器自身周围层流的困难性等。另外,高速飞行也让飞行器机翼的表面积相对减少,这更使得翼载增加了,飞行器失速的风险也就增大了。另外,飞行器在到达跨声速和超音速,飞行时,形成的激波,也是需要考虑的问题。 [2]

F-14跨声速飞行

航空器的应用比较广泛。在民用上,可完成货运、客运、农业、渔业、林业、气象、探矿、空中测量和空中摄影等方面的任务;在军事上,它可用于、反潜、运输兵员、武器和作战物资;在公共管理活动中,还可用于警务、海关、援救等。因此,按照用途,航空器可以分为民用航空器和国家航空器。 [1]

航空器还是进行科学研究的一种重要工具。在人造卫星和载人飞船等航天器出现之前,有关高空气象、大气物理、地球物理、地质学、地理学等方面的许多研究工作,都借助于航空器。即使在航天器出现之后,由于航空器的价格较低,运用方便,仍是在高空进行科学研究的重要工具。

飞机自1903年诞生以来,性能已经显著提升,人们研发出最大飞行速度大于三马赫、高度超过30公里的侦察机,飞行距离超越4000公里、载弹量超过20吨的超音速轰炸机,以及能够转载五百多人的,航行在洲际的民航客机。 [2]

直升机在20世纪的后半期进入航空实用期,直升机的应用领域不断扩展,数量迅速增加。

分类

跑道

入口

速度

起始进近

速度

最后

进近

速度

最大盘旋

速度

目视机动

最大盘旋

速度

复飞最大

速度

中间

最后

A

<91

90-150(110*)

70-100

90

100

100

110

B

91-120

120-180(140*)

85-130

120

135

130

150

C

121-140

160-240

115-160

140

180

160

240

D

141-165

185-250

130-185

165

205

185

265

E

166-210

185-250

155-230

240

230

275

注解:

跑道入口速度:为航空器在最大允许着陆重量时,着陆状态中失速速度的1.3倍;

* 表示反向和直角程序的最大速度;

E 类航空器只包括某些军用航空器,民航飞机(除协和外)无E类航空器,

世界上每个国家的民用航空器(飞机是航空器的一种)都有国籍标志,并要取得国际民航组织的认同。中国是国际民航组织的成员国,根据国际规定,于1974年选用“B“作为中国民用航空器的国籍标志。凡是中国民航飞机机身上都必须涂有“B”标志和编号,以便在无线电联系、导航空中交通管制、通信通话中使用,尤其是在遇险失事情况下呼叫,以利于识别。因此,当您看到涂有中国西南航空公司飞鹰徽记的波音757飞机如“B-2820”字样时,就不会误以为“B”是代表“波音”。

古代欧洲人模仿鸟类翅膀制作的飞翼

1895年的航空器设计图

孔明灯

人类很早就有像鸟类一样在空中飞行的梦想,甚至包括古人用的石头和矛、到古希腊人阿尔希塔斯所制造的机械鸽、远至澳大利亚的飞去来器等。虽然在美洲土著千多年前的文物,和埃及文物及神庙浮雕中,分别发现飞机及直升机形像,而印度两大史诗“摩诃婆罗多”及“罗摩衍那”亦有大量的飞行记载,但这一切仍是未解之谜。中国古代也有人在文学著作中描述了飞天梦试图实现这种脱离大地束缚的梦想,中国发明的风筝和孔明灯。在西方,达芬奇也曾设计过航空器。

在18世纪开始的工业革命后,1783年法国的孟格菲兄弟使用热气球,以及杰克斯查理(Jacques Charles)的氢气球成功升空后,标志着人类巨大的科技进步。重于空气的航空器飞行原理基本是由19世纪初的英国人凯莱爵士(Sir George Cayley)发现的。而19世纪的90年代,德国人奥托李林塔尔是第一位研制和成功飞行滑翔机的人。 [2]

1903年12月17日,美国莱特兄弟利用自行建造的飞机,实现人类第一次持续性的、有动力可操控的飞行,诞生了现代航空器。两次世界大战期间,战争不断激励着航空的发展,军用飞机的能力快速提升,使得战争彻底转变为立体纵深化的,而民用航空事业也伴随着发展起来。二战之后,随着喷气式飞机的诞生,使得飞机冲破音障,成为重大突破。而高性能的超音速军用飞机又进一步对现代军事产生重大影响。经济、安全和舒适的喷气式客机也成为航空运输的主力,也改变着现代交通运输行业。新型的材料技术和电子科技发展也使得航空器有了重大的革新。

其主要由以下几个时期:

飞机探索时期,20世纪以前:气球飞行成功;飞艇的兴盛与衰退;飞机的探索。

活塞发动机飞机,20世纪40年代前:有飞机首次试飞成功,最初的发展;第一次世界大战中飞机的使用;民用航空的建立;第二次世界大战中的军用飞机。

喷气飞机时代,20世纪40年代至今:有首架喷气式飞机诞生,突破音障;喷气军用飞机的成熟;喷气民用飞机的出现;其他航空器的发展;航空科技的革新。 [2]

人类梦想的飞行方式是原地腾空而起,既能自由飞翔又能悬停于空中,并且随意实现定点着陆。例如阿拉伯人的飞毯,希腊神的战车,都是垂直起落飞行器。其中最有价值、最具代表性的是中国古代玩具竹蜻蜓和意大利人达芬奇关于垂直起降航空器的画作。

李约瑟误以为中国晋朝葛洪所著的《抱朴子》有纪录类似竹蜻蜓最早的动力机械,但实际上文章说的是服丹修练成仙成功时,人可以飞行。

《简明不列颠百科全书》第9卷写道:“直升机是人类最早的飞行设想之一,多年来人们一直相信最早提出这一想法的是达芬奇,但现在都知道,中国人比中世纪的欧洲人更早做出了直升机玩具。”这种玩具于14世纪传到欧洲。“英国航空之父”乔治凯利(1773年-1857年)曾制造过几个竹蜻蜓,用钟表发条作为动力来驱动旋转,飞行高度曾达27米。

随着生产力的发展和人类文明的进步,直升机的发展史由幻想时期进入了探索时期。欧洲产业革命之后,机械工业迅速倔起,尤其是本世纪初汽车和轮船的发展,为飞行器准备了发动机和可供借鉴的螺旋桨。经过航空先驱者们勇敢而艰苦的创造和试验,1903年莱特兄弟(Wright brothers)制造的固定翼飞机飞行成功。在此期间,尽管在发展直升机方面,航空先驱们付出了相当的艰辛和努力,但由于直升机技术的复杂性和发动机性能不佳,它的成功飞行比飞机迟了30多年。

20世纪初为直升机发展的探索期,多种试验性机型相继问世。试验机方案的多样性表明了探索阶段的技术不成熟性。经过多年实践,这些方案中只有纵列式和共轴双旋翼式保留了下来,至今仍在应用。双桨横列式方案未在直升机家族中延续,但在倾转旋翼飞机中得到了继承和发展。

俄国人尤利耶夫另辟捷径,提出了利用尾桨来配平旋翼反扭矩的设计方案并于1912年制造出了试验机。这种单旋翼带尾桨式直升机成为至今最流行的形式。

经过20世纪初的努力探索,为直升机发展积累了可贵的经验并取得显著进展,有多架试验机实现了短暂的垂直升空和短距飞行,但离实用还有很大距离。

飞机工业的发展使航空发动机的性能迅速提高,为直升机的成功提供了重要条件。旋翼技术的第一次突破,归功于西班牙人Ciervao,他为了创造“不失速”的飞机以解决固定翼飞机的安全问题,采用自转旋翼代替机翼,发明了自转旋翼机。旋翼技术在自转旋翼机上的成功应用和发展,为直升机的诞生提供了另一个重要条件。

1907年8月,法国人保罗科尔尼研制出一架全尺寸载人直升机,并在同年11月13日试飞成功。这架直升机被称为“人类第一架直升机”。1938年,年轻的德国人汉纳赖奇驾驶一架双旋翼直升机在柏林体育场进行了一次完美的飞行表演。这架直升机被直升机界认为是世界上第一种试飞成功的直升机。1936年,德国福克公司在对早期直升机进行多方面改进之后,公开展示了自己制造的FW-61直升机,1年后该机创造了多项世界纪录。

1939年春,美国的伊戈尔伊万诺维奇西科尔斯基完成了VS-300直升机的全部设计工作,同年夏天制造出一架原型机。这种单旋翼带尾桨直升机构型成为现在最常见的直升机构型。

20世纪40年代,美国沃特-西科斯基公司研制的一种2座轻型直升机R-4,它是世界上第一种投入批量生产的直升机,也是美国陆军航空兵、海军、海岸警卫队和英国空军、海军使用的第一种军用直升机。该机的公司编号为VS-316,VS-316A。美国陆军航空兵的编号为R-4,美国海军和海岸防卫队的编号为HNS-1,英国空军将其命名为“食蚜虻1”(Hoverfly 1),英国海军将其命名为“牛虻”(Gadfly)。

到30年代末期,在法国、德国、美国和前苏联都有直升机试飞成功,并迅速改进达到了能够实用的程度。第二次世界大战的军事需要,加速了这一进程,促使直升机发展由探索期进入实用期,直升机开始投入生产线生产。到二战结束时,德国工厂已生产了30多架直升机,美国交付的R5、R6直升机已达400多架。

20世纪的后半期直升机进入航空实用期,直升机的应用领域不断扩展,数量迅速增加。 [4]

滑翔机的出现要早于飞机,为飞机的成功研制提供了必要的技术储备。

1801年,英国的乔治凯利爵士研究了风筝和鸟的飞行原理,于1809年试制了一架滑翔机。他记述说:滑翔机不断地把他带起,并把他带到几米外的地方。但在后来的试验中,这架滑翔机被撞毁了。1847年,已是76岁的凯利制作了一架大型滑翔机,两次把一名10岁的男孩子带上天空。 一次是从山坡上滑下,一次是用绳索拖曳升空,飞行高度为2─3米。4年后,由人操纵的滑翔机第一次脱离拖曳装置飞行成功,飞行了约500米远。凯利对飞行原理、空气升力及机翼的角度、机身的形状、方向舵、升降舵、起落架等都进行了科学的研究和试验,他首次把飞行从冒险的尝试上升为科学的探索。

德国土木工程师利林塔尔所设计的滑翔机把无动力载人飞行试验推向高潮。从1871年起,他就热衷于研究和制造滑翔机,他利用所有余暇研究空气动力学、试制飞机和驾机试飞。他所著《鸟类飞行是航空的基础》一书被后来的飞行探索者奉为经典之作。他于1891年制作了第一架固定翼滑翔机,翼展为7米,用竹和藤作骨架,骨架上缝着布,人的头和肩可从两机翼间钻入,机上装有尾翼,全机重量约2公斤,很象展开双翼的蝙蝠。他把自己悬挂在机翼上,从15米高的山岗上跃起,用身体的移动来控制飞行,滑翔90米后安全降落。这是世界上第一架悬挂滑翔机。1891─1896年间,利林塔尔共制作了5种单翼滑翔机和2种双翼滑翔机,先后进行了2000多次飞行试验。1896年8月9日,他驾驶滑翔机在里诺韦山遭遇强风而坠落,次日去世。他留给后人的最后一句话是:“要想学会飞行,必须作出牺牲。”

受利林塔尔的影响,发明了现代飞机的莱特兄弟在建造其第一台动力飞机前,花了三年时间使用滑翔机来进行设计验证和飞行训练,积累的经验被反馈到后来成功试飞的飞行者一号上。

1914年德国人哈斯研制出第一架现代滑翔机,它不仅能水平滑翔,还能借助上升的暖气作爬高飞行,并且其操纵性能更加完善。从此,滑翔机进入了实用阶段。在第二次世界大战期间,滑翔机曾用来空降武装人员人员和运送物资。今天它主要用于体育航空运动。 [5]


相关文章推荐:
飞行器 | 飞行器 | 气球 | 飞艇 | 滑翔机 | 旋翼机 | 直升机 | 扑翼机 | 倾转旋翼机 | 滑翔机 | 直升机 | 航天飞机 | 飞机 | | 操纵面 | 机翼 | 飞机 | 滑翔机 | 旋翼 | 空气动力 | 旋翼机 | 旋翼 | 旋翼机 | 直升机 | 扑翼机 | 倾转旋翼机 | 航空器 | 空气动力学 | 流线型 | 涡流 | 空气动力学 | 飞行器设计 | 升力 | 阻力 | 升力 | 阻力 | 摩擦力 | 合力 | 剖面 | 机翼 | 弧形 | 升力 | 阻力 | 重力 | 推力 | 平衡 | 稳定性 | | 自由度 | 音速 | 摩擦力 | 失速 | 激波 | 人造卫星 | 载人飞船 | 马赫 | 侦察机 | 超音速轰炸机 | 民航客机 | 国际民航组织 | 无线电 | 空中交通管制 | 中国西南航空公司 | 波音 | 孔明灯 | 喷气飞机 | 竹蜻蜓 | 李约瑟 | 晋朝 | 葛洪 | 抱朴子 | 简明不列颠百科全书 | 达芬奇 | 莱特兄弟 | 旋翼机 | 保罗科尔尼 | 伊戈尔伊万诺维奇西科尔斯基 | 西科斯基公司 | 利林塔尔 | 莱特兄弟 | 飞行者一号 |
相关词汇词典