[科普中國]-固定翼飛機

技術(shù)原理

固定翼飛機（Fixed-wing plane），常簡稱為飛機（英文：plane），是指由動力裝置產(chǎn)生前進的推力或拉力，由機身的固定機翼產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)飛行的重于空氣的航空器。

變后掠翼飛機，即機翼后掠角在飛行中可以改變的飛機，也屬于固定翼飛機?，F(xiàn)代超音速飛機廣泛采用的小展弦比大后掠機翼，超音速阻力較小，但低速時氣動效率低，升力特性不好。用低速性能好的小后掠角的大展弦比機翼又會使超音速性能變壞。變后掠翼飛機通過機翼后掠角的變化可以解決高、低速性能要求的矛盾。

飛機在起飛著陸和低速飛行時用較大的后掠角，這時機翼展弦比最大，因而具有較高的低速巡航效率和較大的起飛著陸升力。在超音速飛行時用較小的后掠角，機翼展弦比和相對厚度隨之減小，對于減小超音速飛行的阻力很有利。

此外，超音速轟炸機和強擊機作超低空高速飛行時，為了減少不平穩(wěn)氣流引起的顛簸，也要求機翼后掠角小，展弦比小。現(xiàn)代變后掠翼飛機常用于多用途戰(zhàn)斗機、殲擊轟炸機和戰(zhàn)略轟炸機,例如蘇聯(lián)的米格-23戰(zhàn)斗機、圖-160戰(zhàn)略轟炸機，以及西歐的“狂風”和美國的F-14戰(zhàn)斗機、B-1戰(zhàn)略轟炸機都是變后掠翼飛機。

主要特點和其他交通工具相比，固定翼飛機有很多優(yōu)點：

一、速度快。目前噴射客機的巡航時速在900千米/小時左右。

二、機動性高。固定翼飛機飛行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔，而且可根據(jù)客、貨源數(shù)量隨時增加班次。

三、安全舒適。據(jù)國際民航組織統(tǒng)計，民航平均每億客公里的死亡人數(shù)為0.04人，是公路交通事故死亡人數(shù)的幾十分之一到幾百分之一，和鐵路運輸并列為最安全的交通運輸方式。

但是固定翼飛機作為交通工具也有自身的局限性：

一、價格昂貴。無論是固定翼飛機本身還是固定翼飛機所消耗的油料相對其他交通運輸方式都高昂的多。

二、受天氣情況影響。雖然現(xiàn)在航空技術(shù)已經(jīng)能適應(yīng)絕大多數(shù)氣象條件，但是比較嚴重的風、雨、雪、霧等氣象條件仍然會影響飛機的起降安全。

三、起降場地有限制。大部份固定翼飛機都需要機場升降，需要有較長的跑道供起降，對起降的條件要求比較苛刻。

四、一定的危險。雖然民航客機每億客公里的死亡人數(shù)遠低于其他常見運輸工具，但由于飛行事故的幸存率很低，所以給公眾的心理感覺還是有一定危險的。

五、雖然固定翼飛機不斷提升燃油效率，但是飛行時每消耗1千克燃油就會排放3千克二氧化碳，而且氣體直接在大氣層排放，對全球暖化的影響比地面排放還要大。1

機體結(jié)構(gòu)飛機的機體結(jié)構(gòu)通常包括機翼、機身、尾翼和起落架組成。如果飛機的發(fā)動機不在機身內(nèi)，則發(fā)動機短艙也屬于機體結(jié)構(gòu)的一部分。[2]

常規(guī)布局一般地，飛機前面部分包含了乘員和許多航空電子設(shè)備；飛機的中段包括機翼、油箱和武器裝備。燃油和武器裝備布置在飛機的質(zhì)量中心附近，因為執(zhí)行任務(wù)過程中，燃油會被消耗，武器彈藥被投放，使質(zhì)量上產(chǎn)生劇烈的變化，將這些物品布置在質(zhì)心附近，可使質(zhì)心在整個任務(wù)過程中不會有明顯的改變。盡管發(fā)動機有時在機翼下部，但在本例中，發(fā)動機和部分飛行控制系統(tǒng)放置在飛機尾部。2

機翼機翼是飛機產(chǎn)生升力的部件，機翼后緣有可操縱的活動面，靠外側(cè)的叫做副翼，用于控制飛機的滾轉(zhuǎn)運動，靠內(nèi)側(cè)的則是襟翼，用于增加起飛著陸階段的升力。機翼內(nèi)部通常安裝油箱，機翼下面則可供掛載副油箱和武器等附加設(shè)備。有些飛機的發(fā)動機和起落架也被安裝在機翼下方。

根據(jù)伯努利定律，機翼的上半部較下半部突起，以機翼側(cè)面剖面來看這讓機翼上半部氣流的流動路線比下半部長，因此機翼上半部氣流流動速度較下半部快氣壓較小，飛機在跑道上沖刺到一定速度后這氣壓壓力差就產(chǎn)生足夠升力讓飛機起飛。機翼有各種形狀，數(shù)目也有不同。在航空技術(shù)不發(fā)達的早期為了提供更大的升力，固定翼機以雙翼機甚至多翼機為主，但現(xiàn)代飛機一般是單翼機。

機翼由一根或更多的沿機翼展向(根部到翼尖)的翼梁以及幾個沿著弦向(前緣到后緣)的翼肋或肋組成。翼梁有上和下緣條，由堅固的腹板或撐桿連接起來。翼肋形成飛機翼的空氣動力學外形或翼型。并且作為一個剛性的結(jié)構(gòu)或構(gòu)架來構(gòu)造，非常堅固，就像一個隔板。翼梁和翼肋之上的機翼蒙皮提供飛機的主要升力平面。蒙皮如果太薄，可以用較輕的長桁的展向部件來加強。翼梁、翼肋以及加強蒙皮的整體形成盒梁或扭矩盒，盒式梁可能以懸臂梁形式與機身相連，或者從一側(cè)翼尖連通到另一個翼尖。2

機身機身的主要功用是裝載人員、貨物、設(shè)備、燃料和武器等，也是飛機其他結(jié)構(gòu)部件的安裝基礎(chǔ)，將尾翼、機翼及發(fā)動機等連接成一個整體。但飛翼機是個例外，它的機身被隱藏在其機翼的內(nèi)部。

典型的機身結(jié)構(gòu)是半硬殼結(jié)構(gòu)，通常被分為前部、中部和尾部三個部分。應(yīng)力蒙皮的半硬殼結(jié)構(gòu)中，機身蒙皮由一些沿機身方向的部件加強，當這些部件很輕時，它們被稱為長桁；當它們很重時，稱為機身大梁。蒙皮的形狀由一些橫向的結(jié)構(gòu)框或隔板來維持。主要的一根縱向機身梁稱為龍骨。2

尾翼尾翼是用來平衡、穩(wěn)定和操縱飛機飛行姿態(tài)的部件，通常包括垂直尾翼（垂尾）和水平尾翼（平尾）兩部分。垂直尾翼由固定的垂直安定面和安裝在其后部的方向舵組成，水平尾翼由固定的水平安定面和安裝在其后部的升降舵組成，一些型號的飛機升降舵由全動式水平尾翼代替。方向舵用于控制飛機的航向運動，升降舵用于控制飛機的俯仰運動。

尾翼部分連于后部機身，通常由一至多個垂尾或垂直安定面和一個水半委定向或全動半尾組成。當機翼的后緣向后延伸至機身的后部末端時，水平安定面便被完全取消，或被安裝在前機身兩側(cè)的小安定面(稱作鴨翼)取代。垂直或水平安定面的結(jié)構(gòu)與機翼相似。安定面被牢牢地安裝在機身上，或通過扭矩管及軸承布置來連接，允許整個安定面旋轉(zhuǎn)。安定面的作用是提供升力面，升力面提供用于控制飛機飛行所必需的空氣動力。2

起落架起落架是用來支撐飛機停放、滑行、起飛和著陸滑跑的部件，由支柱、緩沖器、剎車裝置、機輪和收放機構(gòu)組成。陸上飛機的起落裝置一般由減震支柱和機輪組成，此外還有專供水上飛機起降的帶有浮筒裝置的起落架和雪地起飛用的滑橇式起落架。

推進系統(tǒng)推進系統(tǒng)的主要功能是提供可控的推力，使空氣進出發(fā)動機，并為一些附屬裝置提供動力。推進系統(tǒng)由發(fā)動機、螺旋槳、發(fā)動機空氣進氣口和排氣口、潤滑系統(tǒng)、發(fā)動機控制、傳動附件以及傳動機匣等組成。如果飛機有螺旋槳，在高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機軸和低轉(zhuǎn)速的螺旋槳傳動之間的減速齒輪和軸系稱為動力傳動齒輪系統(tǒng)。2

飛機的動力裝置的核心是航空發(fā)動機，主要功能是用來產(chǎn)生拉力或推力克服與空氣相對運動時產(chǎn)生的阻力使飛機前進。次要功能則是為飛機上的用電設(shè)備提供電力，為空調(diào)設(shè)備等用氣設(shè)備提供氣源等。飛機的動力裝置除發(fā)動機外，還包括一系列保證發(fā)動機正常工作的系統(tǒng)，如發(fā)動機燃油系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)等。

固定翼飛機的發(fā)動機既可以埋在飛機結(jié)構(gòu)中，也可以埋在吊艙中，飛機飛行必需的推力是由發(fā)動機驅(qū)動的螺旋槳或內(nèi)部風扇提供的，或由一個或多個發(fā)動機的噴氣流提供，或由這兩種方法聯(lián)合提供。發(fā)動機的類型有活塞式噴氣發(fā)動機、沖壓式噴氣發(fā)動機以及燃氣渦輪發(fā)動機。2

操縱裝置現(xiàn)代飛機駕駛艙內(nèi)可供駕駛員使用的飛機操縱裝置（flight control system）通常包括：

1、主操縱裝置：駕駛桿或駕駛盤和方向舵腳蹬。在某些采用電傳操縱系統(tǒng)的飛機上，駕駛桿或駕駛盤已經(jīng)被簡化成位于駕駛員側(cè)方的操縱桿（sidestick），也稱為“側(cè)桿”。

2、輔助操縱裝置：襟翼手柄、配平按鈕、減速板手柄等。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，飛行操縱裝置的形式也發(fā)生了根本性的變化。在大型飛機中，傳統(tǒng)的機械式操縱系統(tǒng)已逐漸地被更為先進的電傳操縱系統(tǒng)所取代，計算機系統(tǒng)全面介入飛行操縱系統(tǒng)，駕駛員的操作已不再像是直接操縱飛機動作，而更像是給飛機下達運動指令。由于某些采用電傳操縱系統(tǒng)的飛機取消了原有的駕駛桿或駕駛盤等裝置而改為側(cè)桿操縱，駕駛艙的空間顯得比以往更加寬松，所以有些駕駛員稱此類駕駛艙為“飛行辦公室”。

發(fā)展歷史誕生1903年12月17日這個寒冷的冬天，來自美國俄亥俄州代頓的自行車制造商萊特兄弟在北卡羅來納州的基蒂·霍克試飛成功一架結(jié)構(gòu)單薄、樣子奇特的雙翼飛機－－“飛行者一號”。這是人類歷史上第一架能夠自由飛行 ，并且完全可以操縱的飛機。這一天就成了飛機誕生之日。

雙翼機時代雙翼飛機有兩個翼面，機翼總面積較大。在飛機發(fā)展初期，發(fā)動機功率低、重量大，建造機體的材料大多是木材和蒙布。為了在低速度條件下產(chǎn)生足夠的升力，需要較大面積的機翼，以便在低速條件下能夠順利升空。但是，隨著飛機速度的不斷提高，雙翼飛機機翼及支柱的阻力越來越大，成為提高速度的主要障礙。自從高強度鋁合金問世后，人們已有可能制造出結(jié)構(gòu)重量不太大而又能承受大載荷的薄機翼。所以從20世紀30年代起，雙翼飛機逐漸被單翼飛機取代。在現(xiàn)代的飛機中，除對載重量和低速性能有特殊要求的小型飛機外，雙翼飛機已不多見。

單翼螺旋槳時代單翼螺旋槳飛機，是指空氣通過螺旋槳將發(fā)動機的功率轉(zhuǎn)化為推進力的單翼飛機。這種飛機按發(fā)動機類型不同分為活塞式螺旋槳飛機和渦輪螺旋槳飛機，有渦輪式發(fā)動機的螺旋槳飛機則被稱為渦槳飛機。

由于受到技術(shù)水平的限制，在二十世紀四十年代之前，人類生產(chǎn)的幾乎所有的飛機均為螺旋槳式飛機，而在三十年代到四十年代之間，單翼螺旋槳飛機一直占據(jù)著主導位置。隨著人類科技的進步，發(fā)動機技術(shù)水品也在不斷提高著，到了二十世紀四十年代，噴氣式飛機開始嶄露頭角，噴氣式飛機所使用的噴氣發(fā)動機靠燃料燃燒時產(chǎn)生的氣體向后高速噴射的反沖作用使飛機向前飛行，它可使飛機獲得更大的推力，飛得更快。

但是由于噴氣式飛機存在使用成本過高、低速機動性能差、材料要求高，低速油耗過高等諸多缺陷，時至今日螺旋槳式飛機，尤其是單翼螺旋槳式飛機仍然在某些領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

單翼飛機的缺陷在于動力方式。轉(zhuǎn)速不能無限的提高，而且當?shù)竭_一定轉(zhuǎn)速時提高的效果微乎其微，只能提高飛行高度以減小阻力。但高空的空氣稀薄亦減小了螺旋槳提供的動力限制了升限，這是單翼飛機的致命缺陷。

噴氣式時代當裝有馮·奧亨研制的Hes3B渦輪噴氣發(fā)動機的He178飛機于1939年8月27日首次試飛成功 時，標志著噴氣式飛機開始扮演重要角色。噴氣式飛機是使用噴氣發(fā)動機作為推進力來源的飛機。它在很多方面，上有著很多讓螺旋槳式飛機望塵莫及的優(yōu)點，尤其是有更大的速度和升限。更大的推動力也使其能獲得更大的空重和機動能力，所以二十世紀四十年代至今，噴氣式飛機無時無刻不出現(xiàn)在人們的視野中。時至今日，當年限制噴氣機發(fā)展的諸多因素已然一一被克服，未來半個世紀內(nèi)仍能統(tǒng)治天空。3

研發(fā)進展航速發(fā)展最大航速是飛機最重要的性能之一。下列若干歷史上的最大航速紀錄：

1910年106千米/小時，飛行員：Leon Morane，法國，Bleriot XI

1913年204 千米/小時，飛行員：Maurice Prevost, 法國,Deperdussin

1923年417 千米/小時，飛行員：Harold J.Brow,美國,Curtiss R2C-1

1934年709 千米/小時，飛行員：Francesco Agello,意大利,Macchi MC.72（水上飛機，此項紀錄保持至今）

1939年755 千米/小時，飛行員：Fritz Wendel,德國,梅塞施米特Me 209V1

1941年1004 千米/小時，飛行員：Heinrich Dittmar, 德國,梅塞施米特Me 163（火箭式殲擊機）

1947年1127 千米/小時，飛行員：Charles "Chuck" Yeager, 美國,Bell X-1

1951年2028 千米/小時，飛行員：Bill Bridgeman, 美國,道格拉斯Skyrocket

1956年3058 千米/小時，飛行員：Frank Everest, 美國,Bell 52 X-2（火箭式）

1961年5798 千米/小時，飛行員：Robert White, 美國,北美航空，X-15（火箭式飛機）

1965年3750 千米/小時，飛行員：W.Daniel, 美國,洛克希德SR-71 黑鳥（噴氣式飛機）

1966年7214 千米/小時，飛行員：William Joseph Knight, 美國,北美航空X-15（火箭式飛機）

2012年 11,200 千米/小時，無人駕駛，美國,波音X-43A（噴氣式飛機）

航程發(fā)展2004年的6月28日，新加坡航空公司重新開通了新加坡與美國紐約紐華克機場之間的每日不停站直航航班，航班號SQ21/SQ22，超過了之前新加坡至洛杉磯的航線，成為全球最長不停站商業(yè)飛行的航線。新航以空中客車A340-500客機飛行該航線，整個航程達到了16600千米，飛行需時18小時。

載重發(fā)展目前載重能力最好的是前蘇聯(lián)安托諾夫設(shè)計局所制造的An-225夢想式運輸機，離陸重量超過600公噸，酬載重量可達300公噸。

目前載客人數(shù)最多的是2005年初發(fā)表的空中客車A380客機，采最高密度座位時可載853人。

環(huán)球飛行1924年道格拉斯公司“世界巡航號”（World Cruisers）飛45機第一次作分段環(huán)球飛行，歷時175天，飛完42400千米。

1986年由伯特·魯坦設(shè)計的旅行者號由哥哥迪克·魯坦和女飛行員珍娜·耶格爾駕駛，人類首次實現(xiàn)不間斷、不空中加油的環(huán)球飛行。

1992年10月，一架“協(xié)和”號超音速客機，為了紀念哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲新大陸500周年，用了32小時49分繞地球一周，創(chuàng)造了環(huán)球飛行的新紀錄。

靜音噴射2006年的11月，美國麻省理工學院與英國劍橋大學的研究團隊，楬橥一項名為“靜音噴射機倡議”的計劃，將徹底改造客機的概念設(shè)計：未來的客機將不只能更省油，而且還安靜無聲，一解機場附近居民飽受飛機起降噪音折磨之苦。這一“靜音噴射機”可以運送215名乘客，并可能在2030年時加入航空界。這架客機的噪音從機場外聽起來，大約像洗衣機或其他家電的噪音。

南非首架2014年8月，南非軍火業(yè)巨頭為南非軍方研制了一款名為AHRLAC的固定翼飛機， 該機具有先進高性能偵察與監(jiān)視輕型功能。作為非洲自行設(shè)計和制造的第一種軍用飛機，AHRLAC的橫空出世對于南非的航空工業(yè)及其防務(wù)工業(yè)來說，可謂邁出了歷史性的一步，具有十分深遠的意義。2014年8月，該機進行了首次試飛。6

中國首架2015年12月7日，中國首架極地固定翼飛機“雪鷹601”在南極中山站附近的冰蓋機場成功試飛。固定翼飛機在南極考察，特別是內(nèi)陸考察中可發(fā)揮快速運輸、應(yīng)急救援等重要保障作用，同時可搭載多種科學觀測設(shè)備，是高效的科研平臺。7