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看完此文你就知道飛機到底是怎麼飛起來的

不知道大家有沒有這樣的疑惑:飛機這樣的龐然大物是如何能夠從地面飛到空中,並且航行很長的距離,負重那麼多也能像在平地一樣?下面,我們就用gif動圖為大家解剖飛機飛行的大秘密!

飛機是依據伯努利原理飛上天空的。在一個流體系統,比如氣流、水流中,流速越快,流體產生的壓力就越小,這就是被稱為「流體力學之父」的丹尼爾·伯努利1738年發現的「伯努利定理」。

具體到飛機上就是因為機翅上方為弧形,下邊為平面,所以當飛機高速運動時,飛機上方的空氣流速比下方慢,下放空氣對機翼起到力的作用,托起機翼,因此飛機可以上天。

大多數飛機由五個主要部分組成:機翼、機身、尾翼、起落裝置和動力裝置,飛機的飛行要解決兩個問題:一是上升;二是前進,前進靠的是發動機的動力帶動螺旋槳旋轉產生的向前牽引力或是噴氣產生的向前推力。上升是根據伯努利原理,即流體(包括氣流和水流)的流速越大,其壓強越小;流速越小,其壓強越大。還有,升力和迎角等都有很大關係。

氣流流過的壓力差產生了升力

飛機運動的三軸簡化,俯仰、滾轉、偏航

↓↓滾轉是副翼控制↓↓

↓↓俯仰運動靠升降舵控制↓↓

↓↓偏航運動靠方向舵控制↓↓

平衡分析(對單旋翼式)

(1)直升飛機的大螺旋槳旋轉產生升力平衡重力。

直升飛機的槳葉大概有2—3米長,一般有5葉組成。普通飛機是靠翅膀產生升力起飛的,而直升飛機是靠螺旋槳轉動,撥動空氣產生升力的。直升飛機起飛時,螺旋槳越轉越快,產生的升力也越來越大,當升力比飛機的重量還大時,飛機就起飛了。在飛行中飛行員調節高度時,就只要通過改變大螺旋槳旋轉的速度就可以了。

(2)直升飛機的橫向穩定。

因為直升飛機如果只有大螺旋槳旋,那麼根據動量守衡,機身就也會旋轉,因此直升飛機就必須要一個能夠阻止機身旋轉的裝置。而飛機尾部側面的小型螺旋槳就是起到這個作用,飛機的左轉、右轉或保持穩定航向都是靠它來完成的。同時為了不使尾槳碰到旋翼,就必須把直升飛機的機身加長,所以,直升飛機有一個像蜻蜓式的長尾巴。

航空發動機:提供飛機前進的動力

▲星型發動機示意圖,在其他更先進的航空發動機出現之前

大型飛機的發動機常採用星型設計

▲星型發動機屬於活塞式發動機的一種

早在1903年,星型發動機就用在了飛機上

1937年,世界上第一個渦輪噴氣發動機就開始運行了

▲從大的方面看,渦噴發動機由5個結構組成

空氣從進氣道進入發動機後,首先被高速運轉的壓氣機壓縮,產生高壓緻密空氣以提供大量氧氣,燃燒室噴油燃燒,向後衝擊渦輪機,而渦輪機又帶動前面的壓氣機,燃氣流從噴口噴出產生推力。

▲渦輪風扇發動機簡稱渦扇發動機

很容易就能發現,渦扇發動機和渦噴發動機兩者之間的區別。渦噴只有一個空氣通道,專業上叫做「涵道」,而渦扇發動機卻有兩個空氣通道。也就是說,渦噴發動機是單涵道發動機,而渦扇是雙涵道發動機。

▲發動機在運轉時,外涵道與內涵道空氣流量的比值叫做涵道比

規律是,涵道比越大越省油,經濟性越好,高涵道比的發動機在亞音速時有非常好的能效,所以它廣泛地運用於客機、運輸機等。

現代戰鬥機也大多採用渦扇發動機,只是,為了追求高空的超音速性能,使用低涵道比的發動機。

▲美國F22猛禽戰鬥機使用的渦扇發動機,涵道比很低,只有0.3:1

▲渦輪螺旋槳噴氣發動機,簡稱渦槳發動機

渦槳發動機的本質類似於渦噴發動機接上一個減速器,並帶動外部的螺旋槳

▲中國自行設計研製的水陸兩棲飛機蛟龍-600,採用國產WJ-6渦槳發動機

目前,蛟龍-600是世界上最大的水陸兩用飛機,於2016年7月23日總裝下線。

渦槳發動機通常用在小型或低速的亞音速飛機上。但也有例外,俄羅斯的圖-95戰略轟炸蛟龍-600機使用的NK-12MV型渦槳發動機,讓其達到925公里每小時的高速,接近音速。

▲俄羅斯的圖-95戰略轟炸機

▲每一個NK-12MV型渦槳發動機上有8個葉片,前後葉片採取同軸反轉的模式

▲同軸反轉示意圖

▲安-70運輸機上的D-27漿扇發動機

渦槳發動機的燃油效率通常高於渦扇發動機,但它也不是盡善盡美,原因之一是,渦槳發動機上多了一個減速器,也就是變速齒輪。

變速齒輪的存在一是增加了發動機重量,二是多少會帶來一些功率上的損耗。

為此,有的國家研製一種不需要變速齒輪的發動機,它就是槳扇發動機。由於和渦輪之間沒有減速器,槳扇的螺旋槳轉速非常高,帶來的優點是燃料效率進一步提高,而缺點是噪音大,難以運用於追求舒適性的客機上。目前,只有安-70運輸機使用漿扇發動機。

▲「安-70」運輸機由烏克蘭與俄羅斯共同研製開發,於1994年12月6日首飛

「安-70」的發動機,其葉片為前置,還有另一種槳扇發動機,其葉片為後置,這就是通用電氣早些年進行實驗的發動機GE36。

▲GE36槳扇發動機

▲GE36槳扇發動機示意圖

▲實驗中的GE36,表現出了非常低的燃料消耗,但同樣還是因為噪音大的問題,它沒有被使用在任何飛機上

▲渦軸發動機並非如此簡單,但您可以藉此理解其本質

渦輪軸發動機簡稱渦軸發動機,顧名思義,它是通過「軸」來傳輸動力。直升機、坦克、船舶上都有使用。

▲ch-47支奴干直升機上的渦軸發動機

無論是上文提到的渦噴還是渦扇發動機,它們的前部都有一個「壓氣機」,這可是個大塊頭,要是能把它去掉就太好了。問題是,沒有了壓氣機,怎麼壓縮空氣?

飛行器飛得越快,迎面而來的空氣就越快,當快到幾倍音速時,空氣自然就得到了壓縮。高壓空氣進入燃燒室,混入燃油,劇烈燃燒並向後高速噴出以得到動力。這就是衝壓發動機的原理。

▲圖中的(a)代表傳統的渦噴發動機,其結構很複雜而(b)代表衝壓發動機;(c)表示超燃衝壓發動機

羅爾斯·羅伊斯早年的「雷神」衝壓發動機

衝壓發動機一般用在導彈和高超音速飛行器上:

SR-71黑鳥

J58引擎

目前成功使用的例子是美國的超高音速偵察機SR-71「黑鳥」,黑鳥最高可達3.5-3.7倍音速,在3倍音速的狀態下,它的發動機內部結構可以通過調整結構,改變為衝壓發動機模式運行,即低速使用渦噴發動機,高速時轉為衝壓發動機。

如此高的飛行速度使得黑鳥保持了一項引以自豪的紀錄——從未在執行任務中被擊落。終其一生,SR-71總共躲過4000餘枚空空導彈和地空導彈,其中甚至包括以色列所發射的導彈。由於高度機密,連當時美國最鐵的盟友以色列都不清楚SR-71的存在,誤把其當作敵機進行了攻擊。時至今日,SR-71仍然有許多數據和任務尚未解密,這隻黑鳥或許會和其試飛地51區一樣永遠保留著些許謎團。

責任編輯: 王和   來源:輕航之家 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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