飞机与直升机－航空飞行器

飞机的飞行原理与鸟儿不一样,但却和风筝很相似．我们知道,风筝在我们拉着跑时,常常是越升越高．飞机也一样,飞机在向前滑行时,由于速度加大,迎面而来的风也很大．这股风分两部分,一部分跑到飞机的机翼上面,流速比较大,空气的压力小；而流过机翼下面的气流由于空气通路窄,流速小,所以压力大．空气是对流的,压力大的空气向压力小的地方跑,这一跑就产生了一种从下往上的升力,这不,飞机就被空气抬起来了．其实这还是个著名的原理,是瑞士科学家伯努利1726年提出来的。

飞机的升力问题解决了,动力问题又产生了．飞机如果从动力来看,可以分成以下几种:

最先说人力飞机．可别小看人力飞机,人力飞机产生得比较晚,但说到底,它解决的是单靠人是否能够上天飞行的问题．人力飞机的产生,可以说是对“扑翼飞机”失败这一缺憾的一种补偿．人力飞机是伴随着飞机出现而出现的,它一般采用固定的机翼,不过,提供力量的常常是脚而不是手,原因很简单: 脚比手力气大。

1936年,德国人海斯勒·维林吉制造了第一架脚踏飞机,但只飞行了40秒钟．1961年,英国三名大学生制造了一架“升攀号”人力飞机,它的主体是一辆自行车,该机飞行了约50 米长的距离．1962年、1972年,英国人温彭尼、波特分别驾驶自动的脚踏飞机,各飞了3993、1071.5 米．1977年、1979年,美国滑翔机运动员麦克里迪制造了“蝉翼秃鹰”号、“蝉翼信天翁号”人力飞机,取得了很大的成功,其中后者飞越了英吉利海峡．此后,美国的人力固定翼飞机“仿蝙蝠”,在三分钟内沿三角形航线飞行了 1500米,这标志着实用人力固定翼飞行的真正产生已经为时不远了。

接着说螺旋桨飞机和喷气式飞机．螺旋桨飞机和喷气式飞机的原理有所不同．螺旋桨飞机,简言之,就是用螺旋桨来产生拉力的飞机．螺旋桨就像风车上的“转叶”一样．不过,风车是利用气流使“转叶”转动,而螺旋桨飞机却是用螺旋桨使飞机沿气流爬升．说到桨,人们会情不自禁地想到轮船上的桨,其实它们之间并没有本质的区别。

桨是人划的,很慢；螺旋桨是机械转动的,很快,但不能太快．早期的这种飞机桨是木头做的,其飞行能力可想而知；后来钢派上了用场,但是桨转得太快了,磨损大,同样会折断．而且,最令人头痛的是,飞机一旦要接近声音传播速度,即 340 米／秒时,螺旋桨就像吃了□□药一样,无法控制．经过反复研究,科学家们搞明白了原因: 飞机在接近声音速度时,其周围空气来不及流走,因而像一面墙一样堵在飞机前面,飞机当然就束手无策,裹足不前了。

当时,这一飞行难题叫音障．螺旋桨飞机的确是慢一点,无法达到和超过音速．但事物是相辅相成的,螺旋桨飞机也有它的优点,它的耗油量小,对环境的污染不大．目前,一些对速度不做高要求的飞机,如农业飞机,常常使用带螺旋桨的发动机．比如中国的“海燕”多用于专用飞机、印度的HA—31MKll“春天”农业机、英国的 MAC6“农场主”飞机,美国的“农用马车”、苏联的“安— 3”等,就是这样。

喷气式飞机,是为克服“音障”而诞生的．喷气原理最早是牛顿提出来的．不难理解,飞机在喷气时产生巨大的反作用力,推动了飞机前进．我国古老的火箭、现代航天发射的运载火箭,其原理皆同出一辙。

据说牛顿本人设计过一种喷气车．该车装有一个锅炉,锅炉后有喷管,喷出的蒸汽推动着车子前进．早些时候,蒸汽机也曾搬到过飞机上,因为太笨重而淘汰．后来人们使用燃气带动活塞,做成了活塞式发动机．这种发动机一直延用到今天。

现代的喷气式飞机一般使用涡轮喷气发动机．这一点说起来惭愧,中国古代的走马灯其实就是现代涡轮喷气发动机的雏型．涡轮像走马灯的灯片一样,当燃烧室的油点燃以后,热气推动涡轮高速旋转,并向后喷气．涡轮喷气发动机的设想是由一个叫马克亚姆的人提出来的,时间是1921年．1939年8月27 日,世界上第一架涡轮喷气式飞机“HE—178”,由德国亨克尔飞机制造厂制造出来,并试飞成功,但那时的速度仍没有超过音速,每秒只有177 米。

1947年,美国拜尔工厂生产出一架X—Ⅰ型火箭飞机．该机利用携带的火药爆炸后喷出的气体推动飞机前行,并首次突破了“音障”,打破了音速不可超越的神话．1953年,美国生产了F—100“超级佩刀”喷气式飞机,速度每秒为442 米,大大地超过了音速．此后,各种军用、民用飞机纷纷效仿,采用喷气发动机．如前苏联米格—25、米格—23、米格—29、米格—31 战斗机,速度分别为音速的2.8、2.35、2.2、2.4 倍．美国的试验机X—15,速度达到音速的6.06 倍(使用火箭发动机)；我国的F—7、F—8 战斗机其速度是音速的2.05、2.2 倍。

要澄清一点的是,喷气飞机与火箭飞机虽然都喷气,但两者不能混淆．火箭飞机就燃料性能、用途来说都与前者有极大的区别。

最后说一下太阳能飞机和原子能飞机．顾名思义,这两种飞机分别使用的是太阳能和核能。

太阳能飞机上面布满了太阳能电池,电池产生的电流输入电动机后,螺旋桨开始转动并使飞机起飞和飞行．1980年11月20 日,由保罗·麦克里迪博士领导的小组设计的“太阳挑战者号”飞机首次试飞成功．1981年7月,该机用五个小时,成功地飞越了英吉利海峡．太阳能飞机很轻,结构多使用碳纤维材料,机上还蒙有一层聚酯薄膜,并安装有1.6 万块太阳能电池．“太阳挑战者号”每小时可达54 公里,飞行最高高度为3300 米,显然实用性并不是很大．太阳能飞机关键问题是蓄电．在不久的将来,科学家们一定能研制出高效能的太阳能电池,并能突破上千公里的航程。

原子能飞机迄今尚未真正问世．此种飞机安装有核反应堆,用金属铀—235 作燃料．它的原子核在中子的轰击下会产生裂变放出中子,并释放能量．但是核裂变时会发生对人有害的核辐射,必须采用保护层进行隔离．1956年1月,美国曾研制出核喷气发动机,但是由于其隔离防护设备过于庞大,无法安上飞机,最后花了10 亿美元,15年的研制最终流产．不过,由于能源费用上涨,科学家们又开始重新考虑原子能飞机设计方案．我们相信,原子能飞机迟早会出现在人们的视野中。

以上分别介绍了各种飞机,现在回过头来说直升机．直升机不是飞机,它首先是一种直上直下的飞行器．直升机与螺旋桨飞机有割不断的联系．螺旋桨飞机的桨是装在飞机前面的,它使飞机向前推进,受力与地面垂直；但如果螺旋桨装在飞机的上部,那么飞机的受力将与地面平行,这不,向前的推力就变成了向上的升力。

直升机说起来令人遗憾,它的起飞原理与我国的竹蜻蜓相似．早在1600年前,我国晋代葛洪就提到过一种带有升力螺旋桨的竹蜻蜓；后来,竹蜻蜓传到欧洲,启发了不少科学家和技术人员,于是造出了直升机．1483年,意大利天才科学家达·芬奇提出了直升机旋翼的设想,并制作了草图．1754年,俄国M·B·罗索诺若夫进行了直升机旋翼模型试验．1878年,法国人福拉尼用蒸汽机作动力,制造了一架横型直升机；1907年、1922年法国工程师伯雷格、黎歇、俄国人博塔扎特分别制造了直升机,但都没能真正飞行．1939年,俄国人西科斯基研制了第一架实用直升机VS—300,并试飞成功．说到这儿,大家已经明白,直升机只有五十多年的历史,对于飞机老大哥来说,只能算是小弟弟了。

直升机的形状很怪,其尾部有一个螺旋翼,它一方面起方向舵的作用,另一方面还可以抵消大螺旋翼对直升机的旋转力．有的大型运输机干脆使用两个大的螺旋翼,它们的功能都一样,不过一定要明白: 两个螺旋翼的方向相反,才能抵消它们对直升机的旋转力．直升机有人称之为“直升飞机”,是因为它还能够像飞机一样向前飞行．不言自明,直升机只要操纵整个旋翼,使之倾斜,就可以改变飞机受力方向,自动前行．由此,现代人把直升机理解为可上可下、可前可后的飞行器,并把它编入飞机行列,是顺理成章的事．其实直升机与飞机本身也可以互补,你看,“X 翼机”就是这样。

X 翼机,它是直升机和一般飞机的杂交种．“X 翼机”上面有直升机旋翼,因而它可以直起直落．但是它的“X”形大旋翼在停止转动时则又变成了一般飞机的机翼．而平直的机翼受到的阻力大,飞行速度低；斜形的机翼,两个向后掠或者向前掠,或者干脆一个前掠一个后掠的机翼,却可以提高速度,因而就有了前掠翼飞机、斜直翼飞机、后掠翼飞机等．然而“X 翼机”可以把它的“X”旋翼调到任意想要的形状,充当特别形状的机翼,达到一般直升机所不能达到的速度．看来,飞机设计虽要合乎常理,但也离不开异想天开的想象力．前面我们说飞机与直升机是两个泾渭分明的飞行器,到这儿,“X翼机”真成了兼有两种飞行器特点的地道的混血儿了。

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