飞机是靠什么原理飞起来的？飞机的发动机是什么原理？_百度知道飞机是如何起飞的？工作原理是什么？_百度知道第一章 飞机的飞行原理和飞行性能 飞机的飞行性能_机械行业_中国百科网
第一章 飞机的飞行原理和飞行性能 飞机的飞行性能
    　　　在对飞机进行介绍时，我们常常会听到或看到诸如‘活动半径’、‘爬升率’、‘巡航速度’这样的名词，这些都是用来衡量飞机飞行性能的术语。简单地说，飞行性能主要是看飞机能飞多快、能飞多高、能飞多远以及飞机做一些机动飞行（如筋斗、盘旋、战斗转弯等）和起飞着陆的能力。速度性能最大平飞速度：是指飞机在一定的高度上作水平飞行时，以最大推力工作所能达到的最大飞行速度，通常简称为最大速度。这是衡量飞机性能的一个重要指标。最小平飞速度：是指飞机在一定的飞行高度上维持飞机定常水平飞行的最小速度。飞机的最小平飞速度越小，它的起飞、着陆和盘旋性能就越好。　　 巡航速度：是指发动机在每公里消耗燃油最少的情况下飞机的飞行速度。这个速度一般为飞机最大平飞速度的70%～80%，巡航速度状态的飞行最经济而且飞机的航程最大。这是衡量远程轰炸机和运输机性能的一个重要指标。　　 当飞机以最大平飞速度飞行时，此时发动机的油门开到最大，若飞行时间太长就会导致发动机的损坏，而且消耗的燃油太多，所以一般只是在战斗中使用，而飞机作长途飞行时都是使用巡航速度。高度性能最大爬升率：是指飞机在单位时间内所能上升的最大高度。爬升率的大小主要取决与发动机推力的大小。当歼击机的最大爬升率较高时，就可以在战斗中迅速提升到有利的高度，对敌机实施攻击，因此最大爬升率是衡量歼击机性能的重要指标之一。　　 理论升限：是指飞机能进行平飞的最大飞行高度，此时爬升率为零。由于达到这一高度所需的时间为无穷大，故称为理论升限。　　 实用升限：是指飞机在爬升率为5m/s时所对应的飞行高度。升限对于轰炸机和侦察机来说有相当重要的意义，飞得越高就越安全。飞行距离航程：是指飞机在不加油的情况下所能达到的最远水平飞行距离，发动机的耗油率是决定飞机航程的主要因素。在一定的装载条件下，飞机的航程越大，经济性就越好（对民用飞机），作战性能就更优越（对军用飞机）。　　 活动半径：对军用飞机也叫作战半径，是指飞机由机场起飞，到达某一空中位置，并完成一定任务（如空战、投弹等）后返回原机场所能达到的最远单程距离。飞机的活动半径略小于其航程的一半，这一指标直接构成了歼击机的战斗性能。　　 续航时间：是指飞机耗尽其可用燃料所能持续飞行的时间。这一性能指标对于海上巡逻机和反潜机十分重要，飞得越久就意味着能更好地完成巡逻和搜索任务。　　 飞机起飞着陆的性能优劣主要是看飞机在起飞和着陆时滑跑距离的长短，距离越短则性能优越。失　速我们知道，机翼能够产生升力是因为机翼上下存在着压力差。但是这是有前提条件的，就是要保证上翼面的的气流不分离。　　当机翼的迎角较小时，在相同的时间里气流绕过上翼面所通过的路程比流过下翼面的路程长，所以上翼面的气流速度比下翼面的快，由于气流的速度越快压力就越低，因而产生了上下翼面的压力差。　　但是如果机翼的迎角大到了一定程度，靠近机翼翼面附近的气流在绕过上翼面时，由于自身粘性的作用，流速会减慢，甚至减慢到零，而上游尚未减速的气流仍然源源不断地流过来，减速了的气流就成为了阻碍，最后气流就不可能再沿着机翼表面流动了，它将从表面抬起进入外层的绕流，这就叫做边界层分离。当气流从机翼表面抬起时，受外层气流的带动，向后下方流动，最后就会卷成一个封闭的涡，叫做分离涡。像这样旋转的涡中的压力是不变的，它的压力等于涡上方的气流的压力。而涡上方的气流流线弯曲程度并不大，所以其压力与下翼面的压力相比小不了多少，这样机翼的升力就比原来减小了。这种情况就叫作失速，对应的机翼迎角叫做失速迎角或临界迎角。　　如果我们给出机翼的升力系数和机翼迎角之间的关系，可以看出，当机翼的迎角达到临界迎角之前，升力系数随迎角增大而增大；当迎角超过临界迎角之后，升力系数就下降了。由于机翼的升力系数与升力成正比，所以说明了当机翼迎角大到一定程度之后，升力的确下降了。　　失速之后的机翼气动效率极低，已经不能够产生足够的有效升力。所以对现在的飞机，都要求在临界迎角以下一定范围内飞行，不允许靠近更不允许超过，以避免发生尾旋等危险。尾旋是飞机在超过临界迎角后绕其自身的三根轴自转的同时、重心沿陡的螺旋线航迹急剧下降的自发运动，又称螺旋。尾旋的特点是迎角大，约20度-70度；螺旋半径小，甚至只有几米；旋转角速度高可达每秒几弧度，下沉速度大，甚至达每秒百米。　　尾旋不是飞机的正常飞行状态，一般是因为飞行员操作不当造成飞机迎角过大或遇到突风而发生的。由于尾旋的不可控性，极易造成飞机的坠毁，正常情况下应该尽量避免进入尾旋。但为了训练飞行员遇到尾旋时的处理能力及研究尾旋的改出方法，某些机动性较高飞机，如歼击机、教练机，允许有意进入尾旋并改出。机动性较差的飞机，如轰炸机、侦察机以及非机动性飞机，如旅客机、运输机，则严禁进入尾旋。由于尚不能保证飞机在任何情况下都不会意外地进入尾旋，多年来尾旋事故屡有发生。　　 完整的尾旋运动由三个阶段组成，即进入阶段、尾旋阶段和改出阶段。尾旋阶段又可分成尾旋过渡阶段和垂直尾旋阶段。垂直尾旋阶段是研究尾旋的主要阶段。根据飞机是由正飞或倒飞进入，尾旋又分为正尾旋和反尾旋。根据尾旋时飞机俯仰角的不同，尾旋还可分为陡尾旋、缓尾旋和平尾旋。　　 采用失速特性较好的翼型和机翼平面形状，尽量使质量沿机冀机身分布合理，减少大迎角时机翼、机身对尾翼的遮蔽以提高舱面效率等，是保证飞机具有满意尾旋特性所经常采用的设计措施。边界层分离当流体流过物体的时候，由于流体本身的粘性，靠近物体表面的流体的速度为零，而离开物体表面一定距离的流体的速度则不受粘性影响，此处的流动可以按照无粘来处理。在物面和可以按无粘处理的流体之间的这一部分流体就是边界层。　　边界层是一个薄层，它紧靠物面，沿物面法线方向存在着切向速度的梯度，并因此而产生了粘性应力。粘性应力对边界层的流体来说是阻力，所以随着流体沿物面向后流动，边界层内的流体会逐渐减速，增压。由于流体流动的连续性，边界层会变厚以在同一时间内流过更多的低速流体。因此边界层内存在着流向的逆压梯度，流动在逆压梯度作用下，会进一步减速，最后整个边界层内的流体的动能都被粘性应力给耗散掉，不能再朝下游流动了，然而远前方的还未减速的边界层还在源源不断地追赶上来。就向被堵塞的水池的水会溢出一样，边界层内的流体也会因为无法继续贴着物面流动而‘溢出’&边界层离开了物面，它分离了。边界层分离之后，它将从紧靠物面的地方抬起进入主流，与主流发生参混。结果是整个参混区域的压力趋于一致。　　由上面的原理我们可以知道，边界层要分离必须满足两个条件，一个是流体有粘性，第二个是流体必须流过物面。　　边界层分离如果发生在机翼上将产生很严重的后果，那就是失速。边界层分离还会使机翼的阻力大大增加，机翼被设计成园头尖尾的流线型就是为了减小阻力。在高亚音速飞机上采用的超临界翼型，也是为了避免边界层的分离。　　航空科技人员为了克服边界层分离所做的努力，贯穿了近代航空的发展历程，始终是推进航空科技发展的重要动力之一。超音速巡航超音速巡航能力，是要求飞机具有在发动机不开加力的情况下，能在M1.5以上做超过30分钟的超音速飞行。目前的常规战斗机，只有打开加力时才能做超音速飞行，而且耗油量会猛增1-2倍。超音速飞行时间只有几分钟，而且机动性也较差。而具有超音速巡航能力的飞机，可以克服以上不足，大大提高其作战效能：可以更快的速度飞抵战区执行任务；可以高速脱离战区摆脱敌机攻击；可以外推拦截线，使敌方轰炸机和攻击机在更远处被拦截；可以超音速状态发射导弹扩大攻击区。由此可见，具有超音速巡航能力将是第四代战斗机所必须具备的技术指标。美国的第四代战斗机F-22就具有超音速巡航能力。那么怎么才能使战斗机具有超音速巡航能力呢？主要措施有两条：一是采用先进的气动外形设计，使飞机的阻力尽量减少：翼身融合体技术就是一种，它能提高飞机的升阻比，减少超、跨音速波阻。二是采用性能先进的发动机，使发动机最大推力大，具有较好的速度特性。从目前研制的水平来看，最佳方案是选用小流量比加力涡扇发动机。美国的F-22飞机之所以具有真正有效的超音速巡航能力，首先是采用了先进的气动外形设计。主要内容有：翼身融合技术；大根梢比的切尖菱形机翼，前缘后掠角为42度，后缘前掠角为17度，襟翼前缘和主翼后缘均各带弧度；保形天线、保形武器舱和菱形进气道等等，这些设计使飞机气动外形干净光滑，气动阻力小。其次，是采用了先进的动力装置。该机装有两台F119加力涡扇发动机。由于发动机在设计中采用耐高温材料和先进热循环技术，将涡轮前燃气温度提高到K，总增压比提高到25，因而产生的推力大(单台最大推力为104.5千牛（即为10663公斤）。使其有足够的剩余推力。同时，又因其流量比小(只有0.15-0.25)，使其速度特性得到改善。不存在推力不够和过分耗油问题，所以，在不加力的情况下就可使飞机飞行速度达到超音速，而使它具有超音速巡航能力 。日凌晨，伊拉克首都巴格达的人们还处在香甜的睡梦中，几架外形奇特、颜色漆黑的飞机从基地起飞以后，悄无声息地进入伊拉克的领空，并突然出现在巴格达的上空，向着位于市中心的通讯大楼投下了精确制导的制导炸弹，四十五分钟以后，巴格达的空袭警报才响起。成功完成这次空袭任务的神秘飞机便是美国空军鼎鼎大名的隐形飞机F-117。F-117早在1989年12月美国入侵巴拿马战争中就已经使用过，直到这次海湾战争才充分体现了隐形飞机的军事价值：战争期间，设防严密的巴格达市内95% 的目标都是由F-117在夜间进行轰炸的，并且在执行任务的过程中没有损失一架F-117 。这所有的一切都归功于F-117所采用的隐身(或隐形)技术。隐身技术的专业定义是：在飞机研制过程中设法降低其可探测性，使之不易被敌方发现、跟踪和攻击的专门技术，当前的研究重点是雷达隐身技术和红外隐身技术。简言之，隐身就是使敌方的各种探测系统( 如雷达等)发现不了我方的飞机，无法实施拦截和攻击。早在第二次世界大战中，美国便开始使用隐身技术来减少飞机被敌方雷达发现的可能。下面主要来看一看雷达隐身技术是怎样实现的。雷达是利用无线电波发现目标，并测定其位置的。由于无线电波具有恒速、定向传播的规律，因此，当雷达波碰到飞行目标(飞机、导弹等时，一部分雷达波便会反射回来，根据反射雷达波的时间和方位便可以计算出飞行目标的位置。由此可见，飞机要想不被雷达发现，除了超低空飞行避开雷达波的探测范围外，就得想办法降低对雷达波的反射，使反射雷达波弱到敌人无法辨别的地步。这里有一个衡量飞行器雷达回波强弱的物理量：雷达散射截面积( 英文名称Radar Cross-Section，缩写为RCS) ，是指飞机对雷达波的有效反射面积，雷达隐身的方法便是采用各种手段来减小飞机的RCS 。例如美国的B-52轰炸机的RCS 大于100平方米，很容易被雷达发现，而与其同类的采用了隐身技术的轰炸机B-2的RCS 约为0.01平方米，一般雷达很难探测到它。目前用来减小飞机RCS的主要途径有两种：一是改变飞机的外形和结构，二是采用吸收雷达波的涂敷材料和结构材料。由于一般飞机的外形比较复杂，总有许多部分能够强烈反射雷达波，象发动机的进气道和尾喷口、飞机上的凸出物和外挂物、飞机各部件的边缘和尖端以及所有能产生镜面反射的表面，因此必须对飞机的外形和结构做较大的改进。我们可以看到隐身飞机的外形十分独特，如F-117基本上是由平面组成的角锥形体，尾翼为V形；而B-2则是前缘后掠、后缘为大锯齿形，没有机身和尾翼，整个飞机向一个大的飞翼，其发动机进气道布置在机体上方，没有外挂物突出在机体外面。此外，为了进一步减小飞机的RCS，还在机翼的前后缘、进气道唇口部分采用了能够吸收雷达波的材料，整个飞机表面涂以黑色的吸收雷达波的涂料。　 虽然隐形飞机能够在相当大的程度上隐身，但只是针对一般的探测设备而言，还有许多方法都可以发现隐身飞机。在月美国对南联盟实施轰炸的时候，南联盟防空军就曾经击落了美国的一架F-117A战斗轰炸机。此外，有得必有失，隐形飞机的隐身能力是以牺牲机动性作为代价的，而且造价也十分昂贵。垂直起落技术垂直起落技术顾名思义就是飞机不需要滑跑就可以起飞和着陆的技术。它是从50年代末期开始发展的一项航空技术。为什么人们会去发展垂直起落技术呢？首先，具有垂直起落能力的飞机不需要专门的机场和跑道，降低了使用成本；其次，垂直起落飞机只需要很小的平地就可以起飞和着陆，所以在战争中飞机可以分散配置，便于伪装，不易被敌方发现，大大提高了飞机的战场生存率；第三，由于垂直起落飞机即使在被毁坏的机场跑道上或者是前线的简易机场上也可以升空作战，所以出勤率也大幅提高，并且对敌方的打击具有很高的突然性。那么，垂直起落技术是怎么实现的呢？我们知道，飞机飞行需要克服两种力&重力和阻力。重力是由飞机的气动面，即机翼和尾翼产生的升力平衡的；阻力则是由发动机提供的推力克服的。正常飞机的起飞过程就是飞机在发动机的推动下，克服阻力向前滑跑，当滑跑速度足够大到使机翼产生的升力大于飞机的重量时，飞机就可以离开地面升空飞行了。而垂直起落飞机由于不需要滑跑，就不可能由机翼产生平衡重力的升力，所以要实现垂直起落，就只能把希望寄托到飞机的动力设备&发动机上了。垂直起落飞机就是由发动机提供向上的推力来克服重力实现垂直起落的。垂直起落飞机产生升力的办法有三个，一个是偏转发动机的喷管，第二种是直接使用升力发动机提供升力，第三个是前两种办法的组合，同时使用升力发动机和主发动机。英国的‘鹞’式（Harrier）就是使用偏转喷管方式的垂直起落飞机。这种飞机机身中部安装有一台‘飞马’式推力转向发动机（‘飞马’发动机结构图），前后两对可旋转喷口分别位于机身两侧，相对机身重心保持对称。发动机将从进气道吸入的空气一部分通过前面的两个可旋转喷口喷出，另一部分经过燃烧室和涡轮从后面的两个可旋转喷口喷出，四个喷口喷出的气流共同产生供飞机垂直起降、空中悬停和水平飞行的动力（图为‘鹞’式垂直起飞示意图）。俄罗斯的雅克-36和雅克141是使用升力发动机和偏转喷口主发动机相结合的垂直起落飞机（雅克式飞机发动机原理图）。飞机的两台升力发动机位于座舱后的机身内，其进气道在机身上部；主发动机装在机身内，喷口在后机身两侧。当飞机垂直起飞时，主发动机的一对可旋转喷口从向后位置转到向下位置，同时升力发动机工作，也是四束喷流提供了飞机的起飞升力。当飞机进入平飞状态之后，主发动机转至向后，升力发动机则停止工作，其进气道关闭。正如前面提到的，使用垂直起落技术的飞机机动灵活，具有常规飞机无可比拟的优点，但同时也有许多重大的缺点。首先是航程短，由于要实现垂直起落，飞机的起飞重量只能是发动机推力的83%-85%，这就使飞机的有效载荷大大受到限制，影响了飞机的载油量和航程。同时，飞机垂直起飞时发动机工作在最大状态，耗油量极大，也限制了飞机的作战半径。例如‘鹞’式飞机的载重量为1060千克时，作战半径只有92公里。所以在实际使用中，‘鹞’式飞机尽量使用短距起飞的方式，以延长飞机的航程。因此，垂直起落飞机又称为垂直/短距起落飞机。另外，由于垂直起落飞机在实战中，经常需要分散在野外，所以它的维护也非常的困难。垂直/短距起落飞机也是海军青睐的机种，因为舰船上的飞行甲板的长度总是有限的，垂直/短距起落技术就显得尤为实用。装备英国‘皇家方舟’号的‘海鹞’就是‘鹞’式的海军型。‘海鹞’还使用了‘斜曲面跃飞’的短距起落技术，通过在上安装12度的斜甲板，可以让飞机滑跑跃飞，再利用推力转向，使飞机在推力不足的情况下仍能在空中稳定加速。　目前世界上服役的垂直起落飞机有英国的‘鹞’式系列，美国的AV-8系列以及俄罗斯的雅克36。俄罗斯还有另外一种编号为雅克141的超音速垂直起落飞机，但是由于没有经费，并没有进入工程发展。　垂直起落技术虽然不是一个新技术，而且存在一些重大弱点，但是它的优点的确使人无法割舍。美国目前就正在发展新一代垂直/短距起落飞机（V/STOL）。随着航空科技的发展，垂直起落技术必将进入一个新的发展高峰。
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