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飞机

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[拼音]：feiji

[外文]：airplane

由动力装置产生前进推力，由固定机翼产生升力，在大气层中飞行的重于空气的航空器。无动力装置的滑翔机、以旋翼作为主要升力面的直升机以及在大气层外飞行的航天飞机都不属飞机的范围。但在日常生活中，有人习惯地将气球、飞艇以外的航空器泛称飞机。

飞机的发展

1903年12月7日，美国莱特兄弟设计制造的“飞行者” 1号进行了成功的试飞。这是人类首次成功地用重于空气的航空器实现有动力、可操纵的持续飞行。莱特兄弟的飞机是一架鸭式飞机，机翼和鸭翼均采取双翼型式，机翼面积45平方米，推进动力为一台8.8千瓦(12马力)的内燃机，飞机总重340公斤。在4次飞行中飞行高度仅2～3米，第一次留空时间12秒，飞行距离36.5米，最好的一次也不过留空59秒，前进了260米。在这以前，法国的 F.坦普尔、俄国A.Φ.莫扎依斯基、美国的H.S.马克西姆和S.P.兰利等人分别在1874年、1882年、1894年和1903年10月试飞过自己建造的飞机，但都没有成功。其中一个原因是缺乏重量轻的发动机。他们的飞机大多采用笨重的蒸汽机作为动力，使得飞机过于笨重而无法自己起飞升空。重量较轻的内燃机的出现，为莱特兄弟飞机的成功提供了一个重要条件。其次，在莱特兄弟以前的飞机上都没有解决飞行稳定和操纵问题以及结构刚度不足的问题，因而不能持续安全飞行。在学习、继承前人滑翔飞行经验的基础上，莱特兄弟在自己设计的飞机上安装了可偏转的前(鸭)翼和垂直尾翼，分别实现俯仰和航向操纵，横向操纵则依靠扭翘机翼来实现，从而使飞机在操纵之下持续飞行。尽管横向操纵方式不如现代飞机上的副翼操纵简单有效，但在当时已是杰出的发明。

1903年以后的30年内，飞机在军事方面得到广泛应用，性能不断提高，构造不断完善，但仍然保持着双翼机的型式。这时活塞式航空发动机的功率虽已增大，但还不足以使飞机达到较高的飞行速度。当时制造飞机的材料仍以木材和蒙布为主，结构比较笨重。为了保证飞行安全，仍然需要机翼面积较大的双翼机。同时双翼机在减轻结构重量、增加有效载重和提高机翼刚度方面也有很大优点。30年代以后，冶金和机械制造技术的进步使活塞式发动机不断完善，功率增大，重量减轻，飞机的飞行速度不断提高，这时双翼机阻力大（主要由上下翼面间的支柱和张线造成）的缺点便暴露出来。为了进一步提高飞行速度，迫切需要取消机翼上的支柱和张线，把双翼机改为单翼机。由于强度高、重量轻的硬铝合金问世和结构分析技术的完善，使得有可能在不过分增加结构重量的情况下用全金属的单翼机代替双翼机。同时由于机翼上普遍采用增升装置，也可在不恶化起飞着陆性能的条件下减小机翼面积。再加上其他改善飞机气动外形的措施，如改用封闭座舱，发动机加整流罩，采用收放起落架等，到30年代末飞机速度已提高到500公里/时。

在进一步提高飞机飞行速度的过程中，单翼机因机翼、尾翼扭转刚度不足而出现副翼反逆和颤振，多次因振动发生灾难性的飞行事故。人们开始寻找事故的原因，研究和掌握结构变形与气动力交互作用的机理，气动弹性力学遂得以建立和发展。20世纪40年代以后，由于科学研究工作的进展，颤振问题已不再成为提高飞机速度的障碍。

第二次世界大战末期和战后，飞机速度已接近音速。进一步提高飞行速度需要巨大的功率，这是活塞式发动机难以达到的，这时螺旋桨的效率也随速度增加而急剧下降。同时传统外形的飞机在接近音速时阻力剧增，出现严重的操纵稳定问题，飞机碰到了所谓“音障”。超越音障是从两个方面解决的：一是改用涡轮喷气发动机，这种发动机构造简单、重量轻、超音速时推进效率高，特别是它的巨大功率是超音速飞行的理想动力；二是采用后掠机翼、减小机翼厚度和利用面积律设计飞机外形，大大降低超音速飞行的阻力。这样，飞机便平稳地穿过音障，实现超音速飞行。

飞机在超音速飞行时，由于气动加热和表面摩擦受热使机体结构处在高温环境下。由于材料耐热强度的限制，对于铝合金结构的飞机，最大速度不能超过马赫数2.2～2.5。这时环境温度约为120～150°C。英国和法国在60年代开始研制的“协和”号超音速旅客机就将巡航速度的马赫数选为 2.2。这种飞机研制成功是一个重大的技术突破，但是它的巡航经济性仍远低于高亚音速旅客机，因而只生产了16架就停止了。

飞机的速度范围和高度范围在不断扩大，超音速飞机不仅要以超音速飞行，还要在高空以高亚音速巡航，以保持较高的飞行效率，同时又要在有限的场地上用较低的速度安全起飞和着陆。为了同时有良好的高、低速和高、低空飞行性能，又出现了变后掠翼飞机和斜翼机。前者的机翼在变后掠角的同时，也改变机翼展弦比和相对厚度。为彻底摆脱飞机对机场的依赖，人们一直在研究制造能垂直起落的飞机，在这方面还只取得有限的进展。

飞机分类

飞机按用途分为军用飞机和民用机两大类。军用飞机是按各种军事用途设计的飞机，其中主要包括歼击机（战斗机）、截击机、歼击轰炸机、强击机（攻击机）、轰炸机、反潜机、侦察机、预警机、电子干扰飞机、军用运输机、空中加油机、舰载飞机等。民用机则泛指一切非军事用途的飞机，包括旅客机、货机、公务机、农业飞机、运动机、救护机、试验研究机等。其中旅客机、货机和客货两用飞机又统称民用运输机。现代运输机具有快速、舒适、安全可靠的优点，并且不受复杂地形的影响，能在两地之间完成最短距离的航行。

飞机还可按组成部件的外形、数目和相对位置的不同来划分型式（图1）。

飞机按机翼数目的不同分为单翼机、双翼机和多翼机。双翼机和多翼机的机翼面积大、刚度好、结构重量轻，因而低速机动性比较好，但飞行阻力较大。30年代开始，大部分飞机都采用阻力小的单翼机型式。按照机翼相对机身上下位置的不同，可分为下单翼飞机、中单翼飞机和上单翼飞机。一般来说，中单翼飞机气动外形最好，但是机翼结构穿过机身中部影响机身内部空间的利用。所以旅客机和运输机都采用下单翼或上单翼型式，以使客舱或货舱保持完整、通畅。按机翼平面形状可分为平直翼飞机、后掠翼飞机、三角翼飞机和前掠翼飞机。早期的飞机多采用矩形平直机翼，以便于制造。以后为减轻结构重量、减小阻力，多采用椭圆形和梯形平直翼。当飞机飞行速度接近音速时，为推迟和减弱空气压缩效应引起的不利影响又研制出后掠翼和三角翼飞机。前掠翼飞机由于存在弯扭扩散问题而较少应用。随着先进复合材料结构技术的进步，前掠翼飞机的结构缺点有可能得到克服。在垂直起落飞机试验方案中还出现过环翼飞机，其机翼好像一个无底圆桶，由于气动效率低而没有得到发展。

按水平尾翼的有无和前后位置不同，可分为正常式飞机（水平尾翼在机翼之后）、鸭式飞机（在机翼的前面有鸭翼，或称为前翼）和无尾飞机（没有水平尾翼）。在正常式飞机中，水平尾翼起俯仰稳定和操纵作用。鸭式飞机的前翼只起俯仰操纵或对机翼形成有利干扰的作用。无尾飞机的平衡和操纵功能由机翼后缘的升降副翼来完成。按水平尾翼相对于机翼弦平面上下位置的不同，又可分为低平尾和高平尾布局的飞机。当水平尾翼装在垂直尾翼顶端时，称为T尾飞机。按垂直尾翼的数目不同，可分为单垂尾飞机、双垂尾飞机和多垂尾飞机。

按机身型式可分为正常机身（单机身）式和尾撑式飞机。尾撑与正常机身的区别在于它仅用来连接飞机的尾翼，所以比机身细得多。飞机还可做成双机身式或双尾撑式，但不多见。

按推进装置的不同，飞机可分为螺旋桨飞机和喷气飞机。按发动机类型的不同，螺旋桨飞机又分为活塞式飞机和涡轮螺旋桨飞机；喷气飞机中有涡轮喷气飞机、涡轮风扇飞机、冲压发动机飞机和火箭飞机。曾经试验过将几种不同类型发动机装在同一架飞机上的方案，称为组合动力装置飞机。按一架飞机上发动机的数目不同，可分为单发动机飞机、双发动机飞机、三发动机飞机和四发动机飞机。四发动机以上的多发动机飞机由于布置和使用不便，现已少见。靠飞机上的太阳电池吸收太阳辐射能，用以驱动螺旋桨的飞机称太阳能飞机。在人力飞机上，人不仅是驾驶员，同时又是飞机的动力装置。由于人的体力和耐久力有限，只有在极轻的飞机上以很低的速度飞行时才有可能实现人力飞行。

按飞机起落架支点相对于飞机重心的位置特征不同，分前三点式起落架飞机、后三点式起落架飞机和自行车式起落架飞机。此外根据起落架滑行装置的不同，又有轮式、滑橇式和浮筒式飞机之分。滑橇式飞机用于冰上或雪地起降和滑行。轻型水上飞机多采用浮筒式。在陆地和水上都能起降的两栖（或称水陆两用）飞机兼有轮式起落架和浮筒式起落架（或船身）。

飞机还常依性能特点分类。按最大飞行速度不同分为亚音速飞机和超音速飞机。亚音速飞机又分为低速飞机（飞行速度在400公里/时以下）和高亚音速飞机（飞行马赫数为0.8～0.9）。大多数喷气式旅客机都属于高亚音速飞机，它们的飞行效率比较高。大多数战斗机都是超音速飞机。按飞行航程的不同可分为近程飞机、中程飞机和远程飞机。远程飞机的航程足以完成中途不着陆的洲际跨洋飞行。近程飞机的航程一般在1000公里以下，中程飞机的航程在3000公里左右。按飞机起飞降落距离的不同，又可分为常规起落飞机、短距起落飞机和垂直起落飞机。垂直起落飞机也可用短距起落方式实现超载起飞，有时也称垂直和短距起落飞机。

飞机组成

飞机的主要组成部件有机翼、尾翼、机身、起落架、飞机操纵系统、飞机动力装置和机载设备等（图2 ）。机翼是飞机产生升力的部分。通常在机翼上有用于横向操纵的副翼和扰流片，机翼前后缘部分还设有各种型式的襟翼，用于增加升力或改变机翼升力的分布（见增升装置）。

尾翼通常在飞机尾部，分为水平尾翼和垂直尾翼两部分。个别飞机的尾翼设计成V形，它兼起纵向和航向稳定、操纵的作用，称为V形尾翼。一般水平尾翼由水平安定面和升降舵组成，垂直尾翼由垂直安定面和方向舵组成。在超音速飞机上，为了提高飞机纵向操纵能力，常将水平尾翼做成一个整体（不分水平安定面和升降舵），它可以操纵偏转，称为全动平尾。有的飞机上（主要是变后掠翼飞机）还将全动水平尾翼设计成可以差动偏转的型式，即平尾的左右两半翼面不仅可以同向偏转，且可反向偏转，此时可起横向操纵作用，这种型式称差动平尾。带方向舵的垂直尾翼已能满足超音速飞行时的航向操纵要求，所以较少采用全动垂直尾翼。在有些飞机上，水平尾翼不是装在飞机尾部，而是移到机翼的前面，它称为前翼或鸭翼。

机身处于飞机的中央，主要用于容纳人员、货物或其他载重和设备，别的部件也多与机身相连。但是机身并不是飞机不可缺少的部件，早期飞机仅有一个连接各部件的构架，这样的机身在初级滑翔机和超轻型飞机上还可见到。以后为了减少阻力，发展成为流线外形的机身，并用以容纳货物、人员和设备等体积较大的载重物。如果飞机足够大，能将人员、货物、燃油等全部装在机翼内部，则可以取消机身，成为飞翼式飞机，简称飞翼。

起落架是飞机起飞、着陆滑跑和在地面（或水面）停放、滑行中支持飞机的装置，一般由承力支柱、减震器、带刹车的机轮(或滑橇、浮筒)和收放机构组成。在低速飞机上用不可收放的固定式起落架以减轻重量，在支柱和机轮上有时装整流罩以减小阻力。对于陆地上或舰上起落的飞机用机轮，在冰上或雪地起落的飞机用滑橇代替机轮，浮筒式水上飞机则代之以浮筒。

操纵系统包括驾驶杆（盘）、脚蹬、拉杆、摇臂或钢索、滑轮等。驾驶杆（盘）控制升降舵（或全动水平尾翼）和副翼，脚蹬控制方向舵。为了改善操纵性和稳定性，现代飞机操纵系统中还配备有各种助力系统（液压的和电动的）、增稳装置和自动驾驶仪等。

动力装置包括产生推力的发动机和保证发动机正常工作所需的附件和系统，其中包括发动机的起动、操纵、固定、燃油、滑油、散热、防火、灭火、进气和排气等装置或系统（见飞机燃油系统、发动机固定装置）。

机载设备包括飞行仪表、通信、导航、环境控制、生命保障、能源供给等设备，以及与飞机用途有关的一些机载设备，如战斗机的武器和火控系统，旅客机的客舱生活服务设施等。

飞行效率

在所有航空器中，飞机具有速度快、载重大和飞行效率高的优点。在燃料、发动机和推进装置一定的条件下，运载工具的效率可用载重量和飞行距离来衡量。飞行阻力越小，飞行的能量消耗越小，飞行距离就越大。但是飞行阻力中有相当大的一部分是由升力引起的。载重量越大，飞机重力和平衡它的升力也越大，因而阻力也随之增大，所以常用升力与阻力的比值（升阻比）来衡量航空器的飞行效率。现代亚音速飞机的升阻比最大可达15～20，即在空中每支持147～196牛（15～20公斤力）的重力需要付出9.8牛（1公斤力）推力的代价。飞机的能量消耗于克服阻力，而不是直接用于支持飞机重量。直升机则不同，它是由发动机驱动旋翼，在悬停状态全部能量消耗于向下加速空气，产生升力支持重力。在前飞时仍有相当多的能量直接消耗于产生升力，所以它的飞行效率低于飞机，载重量和飞行速度也远远不如飞机。飞艇的重力依靠气囊浮力来支持，看来不需要付出能量的代价，但是庞大的艇体使它在高速前进中产生很大的阻力，同样需要消耗很大的能量。如果用升阻比来衡量，飞艇在飞行速度很小时升阻比很高。当飞行速度增大时，浮力不变而阻力与速度平方成正比增加，所以升阻比急剧下降。当飞行时速超过200公里/时，将低于一般飞机的升阻比。喷气式超音速飞机在超音速飞行时推进效率大为提高，但是它的升阻比太低，例如在马赫数为2.2时约为7，总的巡航效率还是比高亚音速飞机低。所以现代运输机都用高亚音速巡航，甚至超音速轰炸机和战斗机也用高亚音速进行远程巡航。(见彩图)