[科普中国]-固定翼飞机

技术原理

固定翼飞机（Fixed-wing plane），常简称为飞机（英文：plane），是指由动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。

变后掠翼飞机，即机翼后掠角在飞行中可以改变的飞机，也属于固定翼飞机。现代超音速飞机广泛采用的小展弦比大后掠机翼，超音速阻力较小，但低速时气动效率低，升力特性不好。用低速性能好的小后掠角的大展弦比机翼又会使超音速性能变坏。变后掠翼飞机通过机翼后掠角的变化可以解决高、低速性能要求的矛盾。

飞机在起飞着陆和低速飞行时用较大的后掠角，这时机翼展弦比最大，因而具有较高的低速巡航效率和较大的起飞着陆升力。在超音速飞行时用较小的后掠角，机翼展弦比和相对厚度随之减小，对于减小超音速飞行的阻力很有利。

此外，超音速轰炸机和强击机作超低空高速飞行时，为了减少不平稳气流引起的颠簸，也要求机翼后掠角小，展弦比小。现代变后掠翼飞机常用于多用途战斗机、歼击轰炸机和战略轰炸机,例如苏联的米格-23战斗机、图-160战略轰炸机，以及西欧的“狂风”和美国的F-14战斗机、B-1战略轰炸机都是变后掠翼飞机。

主要特点和其他交通工具相比，固定翼飞机有很多优点：

一、速度快。目前喷射客机的巡航时速在900千米/小时左右。

二、机动性高。固定翼飞机飞行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔，而且可根据客、货源数量随时增加班次。

三、安全舒适。据国际民航组织统计，民航平均每亿客公里的死亡人数为0.04人，是公路交通事故死亡人数的几十分之一到几百分之一，和铁路运输并列为最安全的交通运输方式。

但是固定翼飞机作为交通工具也有自身的局限性：

一、价格昂贵。无论是固定翼飞机本身还是固定翼飞机所消耗的油料相对其他交通运输方式都高昂的多。

二、受天气情况影响。虽然现在航空技术已经能适应绝大多数气象条件，但是比较严重的风、雨、雪、雾等气象条件仍然会影响飞机的起降安全。

三、起降场地有限制。大部份固定翼飞机都需要机场升降，需要有较长的跑道供起降，对起降的条件要求比较苛刻。

四、一定的危险。虽然民航客机每亿客公里的死亡人数远低于其他常见运输工具，但由于飞行事故的幸存率很低，所以给公众的心理感觉还是有一定危险的。

五、虽然固定翼飞机不断提升燃油效率，但是飞行时每消耗1千克燃油就会排放3千克二氧化碳，而且气体直接在大气层排放，对全球暖化的影响比地面排放还要大。1

机体结构飞机的机体结构通常包括机翼、机身、尾翼和起落架组成。如果飞机的发动机不在机身内，则发动机短舱也属于机体结构的一部分。[2]

常规布局一般地，飞机前面部分包含了乘员和许多航空电子设备；飞机的中段包括机翼、油箱和武器装备。燃油和武器装备布置在飞机的质量中心附近，因为执行任务过程中，燃油会被消耗，武器弹药被投放，使质量上产生剧烈的变化，将这些物品布置在质心附近，可使质心在整个任务过程中不会有明显的改变。尽管发动机有时在机翼下部，但在本例中，发动机和部分飞行控制系统放置在飞机尾部。2

机翼机翼是飞机产生升力的部件，机翼后缘有可操纵的活动面，靠外侧的叫做副翼，用于控制飞机的滚转运动，靠内侧的则是襟翼，用于增加起飞着陆阶段的升力。机翼内部通常安装油箱，机翼下面则可供挂载副油箱和武器等附加设备。有些飞机的发动机和起落架也被安装在机翼下方。

根据伯努利定律，机翼的上半部较下半部突起，以机翼侧面剖面来看这让机翼上半部气流的流动路线比下半部长，因此机翼上半部气流流动速度较下半部快气压较小，飞机在跑道上冲刺到一定速度后这气压压力差就产生足够升力让飞机起飞。机翼有各种形状，数目也有不同。在航空技术不发达的早期为了提供更大的升力，固定翼机以双翼机甚至多翼机为主，但现代飞机一般是单翼机。

机翼由一根或更多的沿机翼展向(根部到翼尖)的翼梁以及几个沿着弦向(前缘到后缘)的翼肋或肋组成。翼梁有上和下缘条，由坚固的腹板或撑杆连接起来。翼肋形成飞机翼的空气动力学外形或翼型。并且作为一个刚性的结构或构架来构造，非常坚固，就像一个隔板。翼梁和翼肋之上的机翼蒙皮提供飞机的主要升力平面。蒙皮如果太薄，可以用较轻的长桁的展向部件来加强。翼梁、翼肋以及加强蒙皮的整体形成盒梁或扭矩盒，盒式梁可能以悬臂梁形式与机身相连，或者从一侧翼尖连通到另一个翼尖。2

机身机身的主要功用是装载人员、货物、设备、燃料和武器等，也是飞机其他结构部件的安装基础，将尾翼、机翼及发动机等连接成一个整体。但飞翼机是个例外，它的机身被隐藏在其机翼的内部。

典型的机身结构是半硬壳结构，通常被分为前部、中部和尾部三个部分。应力蒙皮的半硬壳结构中，机身蒙皮由一些沿机身方向的部件加强，当这些部件很轻时，它们被称为长桁；当它们很重时，称为机身大梁。蒙皮的形状由一些横向的结构框或隔板来维持。主要的一根纵向机身梁称为龙骨。2

尾翼尾翼是用来平衡、稳定和操纵飞机飞行姿态的部件，通常包括垂直尾翼（垂尾）和水平尾翼（平尾）两部分。垂直尾翼由固定的垂直安定面和安装在其后部的方向舵组成，水平尾翼由固定的水平安定面和安装在其后部的升降舵组成，一些型号的飞机升降舵由全动式水平尾翼代替。方向舵用于控制飞机的航向运动，升降舵用于控制飞机的俯仰运动。

尾翼部分连于后部机身，通常由一至多个垂尾或垂直安定面和一个水半委定向或全动半尾组成。当机翼的后缘向后延伸至机身的后部末端时，水平安定面便被完全取消，或被安装在前机身两侧的小安定面(称作鸭翼)取代。垂直或水平安定面的结构与机翼相似。安定面被牢牢地安装在机身上，或通过扭矩管及轴承布置来连接，允许整个安定面旋转。安定面的作用是提供升力面，升力面提供用于控制飞机飞行所必需的空气动力。2

起落架起落架是用来支撑飞机停放、滑行、起飞和着陆滑跑的部件，由支柱、缓冲器、刹车装置、机轮和收放机构组成。陆上飞机的起落装置一般由减震支柱和机轮组成，此外还有专供水上飞机起降的带有浮筒装置的起落架和雪地起飞用的滑橇式起落架。

推进系统推进系统的主要功能是提供可控的推力，使空气进出发动机，并为一些附属装置提供动力。推进系统由发动机、螺旋桨、发动机空气进气口和排气口、润滑系统、发动机控制、传动附件以及传动机匣等组成。如果飞机有螺旋桨，在高转速的发动机轴和低转速的螺旋桨传动之间的减速齿轮和轴系称为动力传动齿轮系统。2

飞机的动力装置的核心是航空发动机，主要功能是用来产生拉力或推力克服与空气相对运动时产生的阻力使飞机前进。次要功能则是为飞机上的用电设备提供电力，为空调设备等用气设备提供气源等。飞机的动力装置除发动机外，还包括一系列保证发动机正常工作的系统，如发动机燃油系统、发动机控制系统等。

固定翼飞机的发动机既可以埋在飞机结构中，也可以埋在吊舱中，飞机飞行必需的推力是由发动机驱动的螺旋桨或内部风扇提供的，或由一个或多个发动机的喷气流提供，或由这两种方法联合提供。发动机的类型有活塞式喷气发动机、冲压式喷气发动机以及燃气涡轮发动机。2

操纵装置现代飞机驾驶舱内可供驾驶员使用的飞机操纵装置（flight control system）通常包括：

1、主操纵装置：驾驶杆或驾驶盘和方向舵脚蹬。在某些采用电传操纵系统的飞机上，驾驶杆或驾驶盘已经被简化成位于驾驶员侧方的操纵杆（sidestick），也称为“侧杆”。

2、辅助操纵装置：襟翼手柄、配平按钮、减速板手柄等。

随着电子技术的发展，飞行操纵装置的形式也发生了根本性的变化。在大型飞机中，传统的机械式操纵系统已逐渐地被更为先进的电传操纵系统所取代，计算机系统全面介入飞行操纵系统，驾驶员的操作已不再像是直接操纵飞机动作，而更像是给飞机下达运动指令。由于某些采用电传操纵系统的飞机取消了原有的驾驶杆或驾驶盘等装置而改为侧杆操纵，驾驶舱的空间显得比以往更加宽松，所以有些驾驶员称此类驾驶舱为“飞行办公室”。

发展历史诞生1903年12月17日这个寒冷的冬天，来自美国俄亥俄州代顿的自行车制造商莱特兄弟在北卡罗来纳州的基蒂·霍克试飞成功一架结构单薄、样子奇特的双翼飞机－－“飞行者一号”。这是人类历史上第一架能够自由飞行 ，并且完全可以操纵的飞机。这一天就成了飞机诞生之日。

双翼机时代双翼飞机有两个翼面，机翼总面积较大。在飞机发展初期，发动机功率低、重量大，建造机体的材料大多是木材和蒙布。为了在低速度条件下产生足够的升力，需要较大面积的机翼，以便在低速条件下能够顺利升空。但是，随着飞机速度的不断提高，双翼飞机机翼及支柱的阻力越来越大，成为提高速度的主要障碍。自从高强度铝合金问世后，人们已有可能制造出结构重量不太大而又能承受大载荷的薄机翼。所以从20世纪30年代起，双翼飞机逐渐被单翼飞机取代。在现代的飞机中，除对载重量和低速性能有特殊要求的小型飞机外，双翼飞机已不多见。

单翼螺旋桨时代单翼螺旋桨飞机，是指空气通过螺旋桨将发动机的功率转化为推进力的单翼飞机。这种飞机按发动机类型不同分为活塞式螺旋桨飞机和涡轮螺旋桨飞机，有涡轮式发动机的螺旋桨飞机则被称为涡桨飞机。

由于受到技术水平的限制，在二十世纪四十年代之前，人类生产的几乎所有的飞机均为螺旋桨式飞机，而在三十年代到四十年代之间，单翼螺旋桨飞机一直占据着主导位置。随着人类科技的进步，发动机技术水品也在不断提高着，到了二十世纪四十年代，喷气式飞机开始崭露头角，喷气式飞机所使用的喷气发动机靠燃料燃烧时产生的气体向后高速喷射的反冲作用使飞机向前飞行，它可使飞机获得更大的推力，飞得更快。

但是由于喷气式飞机存在使用成本过高、低速机动性能差、材料要求高，低速油耗过高等诸多缺陷，时至今日螺旋桨式飞机，尤其是单翼螺旋桨式飞机仍然在某些领域发挥着不可替代的作用。

单翼飞机的缺陷在于动力方式。转速不能无限的提高，而且当到达一定转速时提高的效果微乎其微，只能提高飞行高度以减小阻力。但高空的空气稀薄亦减小了螺旋桨提供的动力限制了升限，这是单翼飞机的致命缺陷。

喷气式时代当装有冯·奥亨研制的Hes3B涡轮喷气发动机的He178飞机于1939年8月27日首次试飞成功 时，标志着喷气式飞机开始扮演重要角色。喷气式飞机是使用喷气发动机作为推进力来源的飞机。它在很多方面，上有着很多让螺旋桨式飞机望尘莫及的优点，尤其是有更大的速度和升限。更大的推动力也使其能获得更大的空重和机动能力，所以二十世纪四十年代至今，喷气式飞机无时无刻不出现在人们的视野中。时至今日，当年限制喷气机发展的诸多因素已然一一被克服，未来半个世纪内仍能统治天空。3

研发进展航速发展最大航速是飞机最重要的性能之一。下列若干历史上的最大航速纪录：

1910年106千米/小时，飞行员：Leon Morane，法国，Bleriot XI

1913年204 千米/小时，飞行员：Maurice Prevost, 法国,Deperdussin

1923年417 千米/小时，飞行员：Harold J.Brow,美国,Curtiss R2C-1

1934年709 千米/小时，飞行员：Francesco Agello,意大利,Macchi MC.72（水上飞机，此项纪录保持至今）

1939年755 千米/小时，飞行员：Fritz Wendel,德国,梅塞施米特Me 209V1

1941年1004 千米/小时，飞行员：Heinrich Dittmar, 德国,梅塞施米特Me 163（火箭式歼击机）

1947年1127 千米/小时，飞行员：Charles "Chuck" Yeager, 美国,Bell X-1

1951年2028 千米/小时，飞行员：Bill Bridgeman, 美国,道格拉斯Skyrocket

1956年3058 千米/小时，飞行员：Frank Everest, 美国,Bell 52 X-2（火箭式）

1961年5798 千米/小时，飞行员：Robert White, 美国,北美航空，X-15（火箭式飞机）

1965年3750 千米/小时，飞行员：W.Daniel, 美国,洛克希德SR-71 黑鸟（喷气式飞机）

1966年7214 千米/小时，飞行员：William Joseph Knight, 美国,北美航空X-15（火箭式飞机）

2012年 11,200 千米/小时，无人驾驶，美国,波音X-43A（喷气式飞机）

航程发展2004年的6月28日，新加坡航空公司重新开通了新加坡与美国纽约纽华克机场之间的每日不停站直航航班，航班号SQ21/SQ22，超过了之前新加坡至洛杉矶的航线，成为全球最长不停站商业飞行的航线。新航以空中客车A340-500客机飞行该航线，整个航程达到了16600千米，飞行需时18小时。

载重发展目前载重能力最好的是前苏联安托诺夫设计局所制造的An-225梦想式运输机，离陆重量超过600公吨，酬载重量可达300公吨。

目前载客人数最多的是2005年初发表的空中客车A380客机，采最高密度座位时可载853人。

环球飞行1924年道格拉斯公司“世界巡航号”（World Cruisers）飞45机第一次作分段环球飞行，历时175天，飞完42400千米。

1986年由伯特·鲁坦设计的旅行者号由哥哥迪克·鲁坦和女飞行员珍娜·耶格尔驾驶，人类首次实现不间断、不空中加油的环球飞行。

1992年10月，一架“协和”号超音速客机，为了纪念哥伦布发现美洲新大陆500周年，用了32小时49分绕地球一周，创造了环球飞行的新纪录。

静音喷射2006年的11月，美国麻省理工学院与英国剑桥大学的研究团队，楬橥一项名为“静音喷射机倡议”的计划，将彻底改造客机的概念设计：未来的客机将不只能更省油，而且还安静无声，一解机场附近居民饱受飞机起降噪音折磨之苦。这一“静音喷射机”可以运送215名乘客，并可能在2030年时加入航空界。这架客机的噪音从机场外听起来，大约像洗衣机或其他家电的噪音。

南非首架2014年8月，南非军火业巨头为南非军方研制了一款名为AHRLAC的固定翼飞机， 该机具有先进高性能侦察与监视轻型功能。作为非洲自行设计和制造的第一种军用飞机，AHRLAC的横空出世对于南非的航空工业及其防务工业来说，可谓迈出了历史性的一步，具有十分深远的意义。2014年8月，该机进行了首次试飞。6

中国首架2015年12月7日，中国首架极地固定翼飞机“雪鹰601”在南极中山站附近的冰盖机场成功试飞。固定翼飞机在南极考察，特别是内陆考察中可发挥快速运输、应急救援等重要保障作用，同时可搭载多种科学观测设备，是高效的科研平台。7