王金發(fā)

適于18世紀(jì)60～80年代的歐洲工業(yè)革命（又名產(chǎn)業(yè)革命），推動(dòng)可工業(yè)的發(fā)展。1903年，美國萊特兄弟制造的飛機(jī)試飛成功，極大地促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)集團(tuán)向天空發(fā)展的渴求。科學(xué)家們借鑒萊特兄弟的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)驚奇地發(fā)現(xiàn)看不見的空氣動(dòng)力與航空器之間存在著密切的聯(lián)系。

空氣動(dòng)力學(xué)時(shí)航空技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)之一，它主要研究空氣（或其他氣體）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，空氣與物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化。空氣動(dòng)力學(xué)的每一次重大突破，都會(huì)引領(lǐng)航空技術(shù)的變革。今天，我們就介紹飛機(jī)在空中飛行所涉及的最基本動(dòng)力——升力、阻力以及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。

要了解飛機(jī)的飛行原理就必須先了解飛機(jī)的組成以及功用，大多數(shù)飛機(jī)都是由機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、起落裝置和動(dòng)力裝置五個(gè)主要部分組成的。

飛機(jī)的升力

在天空中飛行的飛機(jī)比空氣重，又不能像鳥一樣扇動(dòng)翅膀，那它的升力是如何產(chǎn)生的呢？飛機(jī)在空中飛行，會(huì)產(chǎn)生作用于飛機(jī)的空氣動(dòng)力。正常布局的飛機(jī)，其升力絕大部分是由機(jī)翼產(chǎn)生，尾翼通常產(chǎn)生負(fù)升力，飛機(jī)其他部分產(chǎn)生的升力很小，一般可以忽略不計(jì)。飛機(jī)在高速飛行中，迎面而來的空氣會(huì)被“劈”成上、下兩股氣流，分別沿機(jī)翼上下表面流過，在機(jī)翼后緣重新會(huì)合向后流去。大家有沒有注意到通常機(jī)翼的上表面會(huì)有一定的弧度，而下表面則較為平直？這樣的設(shè)計(jì)是為了使空氣在上表面經(jīng)過的路程大于下表面，而在上下兩部分空氣同時(shí)到達(dá)機(jī)翼后緣會(huì)合的情況下，上表面的空氣就要加速流動(dòng)。根據(jù)伯努利原理：流體在一個(gè)管道中流動(dòng)時(shí)，流速快的地方壓力小，而流速慢的地方壓力大。那么，同樣的道理，機(jī)翼上表面的空氣流速快，壓力就?。憾鴻C(jī)翼下表面的空氣流速慢，壓力就大。當(dāng)大氣施加在機(jī)翼下表面的壓力（方向向上）比施加于機(jī)翼上表面的壓力（方向向下）大時(shí)，機(jī)翼上、下表面就出現(xiàn)了壓力差，依靠這種壓力差，機(jī)翼就獲得了升力，從而能夠讓飛機(jī)在天空中飛行。所以，總結(jié)一下就是機(jī)翼上下表面的距離差造成了氣流的速度差，速度差又導(dǎo)致了壓力差，形成了升力。

飛機(jī)的阻力

我們?cè)隍T自行車時(shí)會(huì)遇到阻力，而飛機(jī)在飛行中也會(huì)有阻力，其中有四種阻力影響最大。一是摩擦阻力，當(dāng)空氣流過飛機(jī)表面時(shí)，空氣和飛機(jī)表面會(huì)發(fā)生摩擦，產(chǎn)生一個(gè)阻止飛機(jī)前進(jìn)的力，這個(gè)力就是摩擦阻力。二是壓差阻力，它是在機(jī)翼等結(jié)構(gòu)的前后，由于壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的阻力。這種阻力和迎風(fēng)面積有很大關(guān)系，迎風(fēng)面積越大壓差阻力就越大。就像游泳時(shí)水流迎面而來，運(yùn)動(dòng)員不同的姿態(tài)就會(huì)產(chǎn)生不同大小的壓差阻力，而對(duì)于飛機(jī)來說，各部件的外形對(duì)壓差阻力的影響很大，而實(shí)驗(yàn)表明，流線形的物體壓差阻力最小。三是誘導(dǎo)阻力，飛機(jī)在飛行中，翼尖附近的氣流在壓差的作用下會(huì)由下向上繞，這樣既減小了升力，又產(chǎn)生了阻力，這就是誘導(dǎo)阻力。四是干擾阻力，它是飛機(jī)各部分之間因氣流相互干擾而產(chǎn)生的一種額外阻力，這種阻力容易產(chǎn)生在機(jī)身和機(jī)翼、機(jī)身和尾翼、機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)艙、機(jī)翼和副油箱之間。以上四種阻力是對(duì)低速飛機(jī)而言，至于高速飛機(jī)，除了這些阻力外，還會(huì)產(chǎn)生激波阻力等。

影響升力和阻力的因素

升力和阻力都是飛機(jī)在與空氣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的。影響升力和阻力的基本因素有：機(jī)翼在氣流中的相對(duì)位置（迎角）、相對(duì)于氣流的飛行速度和空氣密度以及飛機(jī)本身的特點(diǎn)（飛機(jī)表面質(zhì)量、機(jī)翼形狀、機(jī)翼面積、是否使用襟翼和前緣翼縫是否張開等）。

迎角就是飛機(jī)運(yùn)動(dòng)方向與翼弦所夾的角度。在飛行速度等其他條件相同的情況下，得到最大升力的迎角，叫作臨界迎角。在小于臨界迎角范圍內(nèi)增大迎角，就可以增加升力：超過臨界迎角后，再增大迎角，升力反而減小。隨著迎角增大，阻力也會(huì)越來越大，超過臨界迎角后，阻力會(huì)急劇增加。

就像我們騎自行車一樣，飛機(jī)前進(jìn)的速度越快，升力、阻力越大。這是為什么呢？因?yàn)楫?dāng)速度加快的時(shí)候，空氣受飛機(jī)的擠壓就加大了，于是空氣的密度就會(huì)變大，我們說這時(shí)的空氣動(dòng)力也就變大，升力、阻力自然也大。

大家想想，將同等質(zhì)量的一張大紙和一根針同時(shí)扔下，哪個(gè)掉落的速度慢？當(dāng)然是紙，因?yàn)榧埖拿娣e大，它的升力和阻力都比針要大。同樣的道理，機(jī)翼面積越大，升力和阻力也就越大。此外，機(jī)翼的形狀對(duì)升力、阻力有很大影響，機(jī)翼切面形狀的相對(duì)厚度、最大厚度位置、機(jī)翼平面形狀、襟翼和前緣翼縫的位置等都會(huì)影響升力和阻力。還有飛機(jī)表面光滑與否對(duì)摩擦阻力也會(huì)有影響，飛機(jī)表面相對(duì)光滑，阻力相對(duì)也會(huì)較小，反之則大。因此，空氣動(dòng)力外形的設(shè)計(jì)對(duì)飛機(jī)性能的好壞具有十分重要的影響。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力

飛機(jī)是一種非常方便快捷的交通工具，乘坐飛機(jī)，我們可以快速到達(dá)世界上任何一個(gè)國家。但是你知道嗎，讓這么一個(gè)龐然大物騰空而起，光靠機(jī)翼上下表面的壓力差形成的升力是不夠的，還必須有一個(gè)強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)。那么發(fā)動(dòng)機(jī)是什么樣的？它又是怎么工作的呢？

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有很多種，比如：活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，等等。20世紀(jì)初，滑翔機(jī)和動(dòng)力機(jī)械逐漸成熟，人們開始嘗試把動(dòng)力機(jī)械裝到滑翔機(jī)上，開始研究動(dòng)力飛行。人們不斷探索使飛機(jī)飛得更快更高的辦法，他們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)已無法達(dá)到要求，必須更換發(fā)動(dòng)機(jī)。1930年，英國的弗蘭克·惠特爾設(shè)計(jì)出第一臺(tái)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。幾乎與惠特爾同時(shí)，德國的奧亨也開始研制渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并在1937年成功運(yùn)轉(zhuǎn)，1939年用于飛機(jī)，由此世界上第一架噴氣式飛機(jī)誕生了。

發(fā)動(dòng)機(jī)種類雖然很多，但同類發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理大同小異。拿渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)來說，它的工作分為進(jìn)氣、加壓、燃燒、排氣四個(gè)步驟，在飛機(jī)高速飛行時(shí)，氣體迎面“撞”入進(jìn)氣道，在前面的“大風(fēng)扇”（壓氣機(jī)）處被加壓，形成溫度非常高的高壓氣體，這一氣體進(jìn)入燃燒室時(shí)，與燃燒室里面的燃?xì)饣旌宵c(diǎn)燃，瞬間形成一股非常大的能量，產(chǎn)生巨大氣流穿過渦輪機(jī)，使渦輪機(jī)快速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)同軸上的壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，不斷抽進(jìn)更多的空氣，而高壓高溫氣流則從噴口快速噴出，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得反作用推力，這股推力與飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生的升力結(jié)合，飛機(jī)就飛起來了。

講了這么多，現(xiàn)在大家不僅對(duì)于飛機(jī)有了更多的了解，是不是也對(duì)飛機(jī)的發(fā)展歷史更加清楚了呢？從熱氣球到飛艇、滑翔機(jī)，再到機(jī)械動(dòng)力飛機(jī)，人類的飛翔史就是這樣隨著對(duì)空氣與物體之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)一步步展開的。