航空器
B-52 & Tu-95.jpg
一批大型航空器
航空器专题
单纯利用空气浮力(浮空器
无动力 动力
空气浮力和空气动力混合
无动力 动力
单纯利用空气动力
无动力 动力
无动力固定翼 动力固定翼
半固定翼和旋翼
无动力旋翼 动力旋翼
扑翼
其他
无动力 动力

航空器(英語:Aircraft)是飞行器中的一个大类,是指通过机身与空气的相对运动(不是由空气对地面发生的反作用)而获得空气动力升空飞行的任何机器。[1][2][3]

任何一种航空器都必须产生出與自身重力相同的升力来,才能进入空中。根据升力的产生方式的不同,可分为两类:轻于空气的航空器和重于空气的航空器,前者依靠空气静浮力升空;后者依靠空气动力克服自身重力升空。[4]:9,269[5]:1,237

由构造特点不同,轻于空气的航空器和重于空气的航空器有着不同的特点。轻于空气的航空器主体为一个气囊,内部一般充入密度比空气较小的气体,如氢气氦气,借着大气中的静浮力使航空器能够滞留于空中。在重于空气的航空器中使用范围最广泛的是飞机,它由装有提供拉力推力动力设备、产生升力机翼和控制飞行姿态的操纵设备等构成。[5]:1,237[6]:1,142[4]:9,269

历史

古代欧洲人模仿鸟类翅膀制作的飞翼
1895年的航空器设计图
孔明灯

人类很早就有像鸟类一样在空中飞行的梦想,甚至包括古人用的石头和矛、到古希腊人阿尔希塔斯所制造的机械鸽[7][8]、远至澳大利亚的飞去来器等。雖然在美洲土著千多年前的文物,和埃及文物及神廟浮雕中,分別發現飛機及直升機形像,而印度兩大史詩《摩訶婆羅多》及《羅摩衍那》亦有大量的飛行記載,但這一切仍是未解之謎。中国古代也有人在文学著作中描述了飞天梦试图实现这种脱离大地束缚的梦想,中国发明的风筝孔明灯[9][10][11][12]。在西方,达·芬奇也曾设计过航空器[5]:1,124-127[13][14]

在18世纪开始的工业革命后,1783年法国的孟格菲兄弟使用热气球,以及杰克斯查理(Jacques Charles)的氢气球成功升空后,标志着人类巨大的科技进步。[15][4]:9,271重于空气的航空器飞行原理基本是由19世纪初的英国人凯莱爵士(Sir George Cayley)发现的。[16][17][18]而19世纪的90年代,德国人奥托·李林塔尔是第一位研制和成功飞行滑翔机的人[6]:2,87[5]:1,124-127

1908年的航空器

1903年12月17日,美国莱特兄弟利用自行建造的飞机,实现人类第一次持续性的、有动力可操控的飞行,诞生了现代航空器。[19]两次世界大战期间,战争不断激励着航空的发展,军用飞机的能力快速提升,使得战争彻底转变为立体纵深化的,而民用航空事业也伴随着发展起来。[20]二战之后,随着喷气式飞机的诞生,使得飞机冲破音障,成为重大突破。而高性能的超音速军用飞机又进一步对现代军事产生重大影响。经济、安全和舒适的喷气式客机也成为航空运输的主力,也改变着现代交通运输行业。新型的材料技术和电子科技发展也使得航空器有了重大的革新。[21][5]:1,124-127[4]:9,271[6]:2,87

其主要由以下几个时期:[4]:9,271[6]:2,87

飞机探索时期,20世纪以前:气球飞行成功;飞艇的兴盛与衰退;飞机的探索。

活塞发动机飞机,20世纪40年代前:有飞机首次试飞成功,最初的发展;第一次世界大战中飞机的使用;民用航空的建立;第二次世界大战中的军用飞机。

喷气飞机时代,20世纪40年代至今:有首架喷气式飞机诞生,突破音障;喷气军用飞机的成熟;喷气民用飞机的出现;其他航空器的发展;航空科技的革新。

原理

飞行物的层流模型

当空气和物体迎面相对时,该物体四周的气流形态取决于物体本身的形态和流动速度,一道稳定的气流可汇成一组连续的、流畅的、几乎平行的线条,这种线条称为流线。[22]因此,世人称某些物体呈现流线型即表明它的形状可以使周围的空气很平滑地流过。[23]在流线上流动非常有规则,不会出现四处乱流,则称为层流[24][5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93

扰流,或称为湍流

当空气流经表面呈现弧形的物体时,流速就会异常加快,而流线之间的距离也紧密起来,直到流过该物体为止。如该物体的表面不够平滑,则空气不会一次流动,而是出现扰流。[25]在物体的后线也有可能出现涡流,这是空气的脉动现象,研究表明,物体在层流中比在扰流中受到更小的阻力[26][5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93

空气动力学的应用

空气动力学飞行器设计上有实际应用,其主要受到空气动力的两个分力影响,升力和阻力。[5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93[17]

物体在空气中运动的线路称作相对风。气体动力在相对风的方向垂直产生的分力就是升力。而与相对风平行但反方向运动的分力就是阻力,即试图将物体向后拉,阻碍前进的力。阻力部分来自于升力,部分源于物体形状和表面摩擦力[5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93

形状对称的物体如按照对称轴对准相对风而运动时,就不会有升力,仅会有部分阻力。如对称轴与相对风呈现一定的角度[註 1][註 2],就会同时产生升力和阻力,共同构成合力[27][5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93

受力情况

在设计航空的飞行器时,须以高升阻比[註 3]为最佳方案。翼剖面,这是指设计成能够产生最大升力的表面,飞机的基本翼剖面就是机翼。早期的翼剖面在较快的速度中容易出现扰流,而由于各种科学和实验的进展,逐渐发现弧形表面才是翼剖面的最佳方案。[5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93[28][29][30][31]

飞行器飞行原理

力的平衡

三个轴向旋转运动

一个稳定飞行的航空器,其身上会有各种力的相互抵销,主要由四个,升力、阻力、重力推力。当飞机飞行时,其动力系统需能产生足够抵消气流阻力的推力,飞机的升力总是也必须与其自身重量相抗衡,否则飞机就会掉下去。按照简单的来看,机身与机尾所产生的升力与机翼的相差甚大,尤其是低音速飞行时更是如此。[5]:1,121[4]:13,104[6]:1,93[18]

稳定性

航空器在飞行时,除了要维持平衡[註 4]以外,还要保持稳定性,即飞行时受到外部干扰后,能够恢复到原来的姿态[註 5];如非这样,航空器就需要以新的姿态飞行,称其稳定性为“中性”。如航空器遇到干扰后,不仅无法还原至先前的状态,而是持续地产生姿态的改变,这样就是“不稳定”。[5]:1,121[4]:13,104[6]:1,93[28][30]

转动轴

一个飞行器按照三根[註 6]可以有三种自由运动,侧向、纵向及垂直,而运动也分为移动和转动,所以飞行器运动会有6个自由度[5]:1,121[4]:13,104[6]:1,93

飞行器在侧向轴上转动就称为俯仰。飞行器沿着垂直轴的转动称作偏航,右转偏航就是正向偏航。飞行器于纵向轴的转动既是侧滚。[5]:1,121[4]:13,104[6]:1,93

超音速

如飞行速度达到音速[註 7]时,飞行器的基本状态除了要保持平衡和稳定以外,其他条件就重要起来,如与空气的摩擦力,及维持飞行器自身周围层流的困难性等。另外,高速飞行也让飞行器机翼的表面积相对减少,这更使得翼载[註 8]增加了,飞行器失速[註 9]的风险也就增大了。另外,飞行器在到达跨声速[註 10]和超音速[註 11],飞行时,形成的震波[註 12],也是需要考虑的问题。[27][5]:1,121[4]:13,104[6]:1,93

分类

航空器通常可分为两大类:轻于空气的航空器和重于空气的航空器。根据航空器具体的结构特点还可以进一步被细分,详见下图[4]:9,269

航空器
轻于空气的航空器

气球

飞艇

重于空气的航空器
固定翼航空器

飞机

滑翔机

旋翼航空器

直升机

自转旋翼机

扑翼机

倾转旋翼机

轻于空气的航空器

飞行中的热气球

轻于空气的航空器(英文:Lighter-than-air aircraft)是指整體密度比空氣低的航空器,靠充入密度小于空气的气体产生静浮力升空,因此又称浮空器[32],它们多为在历史上较早出现的航空器,包括:[33][34]