万博士的航空讲堂(1)
时间：2020-12-14 16:03:27 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
万志强：北京航空航天大学博士、副教授，现为美国密西根大学航空航天系访问学者。万博士从小喜欢航模，并立志从事航空事业。青少年时代，参加过首届“飞向北京”全国航模比赛等多项全国及省市比赛。在北京航空航天大学读本科期间，其主持设计、制作和试飞的“三翼面无人驾驶验证机”获第五届“挑战杯”全国大学生课外科技竞赛一等奖。博士毕业留校后从事飞行器设计方面的教学与科研工作，并担任北航航模队指导老师，组织北航学生参加全国科研类航模比赛，连续几届获得多项冠军。万博士还多年担任科研类全国航空航天模型锦标赛（即大学生航模比赛）竞赛委员会主任，为该项活动的发展做出了突出贡献。
编者的话：经常有航模爱好者来信询问一些航空、航模基础知识，模型飞机与真飞机的相同和不同点等各种问题。为此，本刊几年前便与北京航空航天大学飞行器设计专业的万志强博士探讨在杂志上开设有关航空、航模基础知识的专栏文章的可能性。经过两年多的准备，万博士终于完成了此系列文章的整体构思及前期文章的写作，现从本期开始连载，希望能得到大家的喜欢。
一、人类的航空壮举
当我们仰望天空的时候，总会发现时不时有飞机掠过。或许不少人会问，这样一个庞然大物，其质量少则数百千克，多则几十吨、上百吨，怎么能够如此自如地在蓝天上飞翔呢？飞行究竟需要具备哪些条件呢？
其实，关于怎样才能像鸟儿一样在蓝天上翱翔，我们的先辈们探索了数千年，设想和尝试了许多种飞天方式，但基本都以失败告终。直到1903年12月17日，美国的莱特兄弟驾驶着他们设计和制造的“飞行者”1号（图1），进行了时间不到1分钟、距离只有260m的人类历史上第一次持续而有控制的动力飞行之后，人类才真正从根本上解决了飞上蓝天的关键问题。此后，飞机越造越大、越飞越高、越飞越快、越飞越远，各方面的性能都有了翻天覆地的提高（图2～图5）。
实际上，无论是莱特兄弟设计的“飞行者”1号，还是现代的先进客机、战斗机、运输机……之所以能飞上蓝天，归纳起来是因为它们具备了飞行的3个最基本的要素：
（1）具有能产生升力的机翼，平衡飞机的重力（图6）；
（2）具有能提供拉力或推力的动力系统，平衡飞机的阻力（图6）；
（3）具有能控制飞机姿态的操纵系统，实现飞机按照预定的轨迹飞行。
莱特兄弟的第一次飞行，虽然飞行时间只有几十秒，飞行距离只有几百米，离地高度也只有几米，但他们的探索精神却永远值得我们学习，其成功一直激励着后人对航空航天的持续探索。
莱特兄弟的壮举，让人类开始漫步于天空，继而遨游于天宇。人们把这些能够在天空和宇宙中飞行的机器统称为飞行器。飞行器主要分为航空飞行器（简称航空器）和航天飞行器（简称航天器）。前者是指在空气中飞行的飞行器，后者是指主要在大气层外飞行的飞行器。而航模作为一种与航空器和航天器密切相关的模型，则既包括航空模型，又包括航天模型。在飞行器的发展过程中，航模发挥了重要的作用，无论是利用航模进行原理验证，还是利用航模完成载人飞机难以完成的飞行科目。现代无人机则与航模更是有密切的关系，不少无人机就是从航模发展而来的。
航空和航天技术都是高度综合的现代科学技术。力学、热力学、材料学是航空航天的科学基础；电子技术、自动控制技术、计算机技术、喷气推进技术和制造工艺技术对航空航天的进步起到了重要作用；医学、真空技术和低温技术则促进了航天的发展。上述科学技术在航空和航天的应用中相互交叉和渗透，产生了一些新的学科，使航空和航天科学技术形成了完整的体系。
航空航天的发展都与其军事应用密切相关，但人类在该领域取得的巨大进展对国民经济和社会生活也产生了重大影响，甚至改变了世界的面貌。如我们乘坐飞机旅行，使用GPS进行导航，收看海外电视直播，进行天气预报，这些都离不开航空航天的发展。航空航天科学技术是牵动其他高新技术发展的动力之一，航空航天工业是国民经济建设中的阳光产业，而航空航天产品则是附加值很高的高新技术产品。
二、翱翔天空的航空器
任何航空器要升到空中，都必须产生一个能克服自身重力的向上的力，这个力叫作升力。另外，航空器在空中的飞行还必须具备动力装置产生推力或拉力来克服前进的阻力。根据产生升力的基本原理不同，航空器分为轻于(或等于)同体积空气的航空器和重于同体积空气的航空器两大类。前者靠空气的静浮力升空，又称浮空器；后者靠与空气相对运动产生升力升空。按照不同的构造特点，航空器还可进一步细分，如图8所示。
1．轻于空气的航空器
轻于(或等于)空气的航空器包括气球和飞艇，它们先于飞机出现。
（1）气球（图9）
气球一般无推进装置，主体为气囊，下面通常有吊蓝或吊舱。按照气囊内所充气体的种类，可分为热气球、氢气球和氦气球三种。
（2）飞艇（图10）
飞艇安装有推进装置，并可控制飞行。根据结构形式，可分为软式、硬式和半硬式三种。飞艇与气球的最本质区别就是它带有动力和操纵舵面，可按照预定的飞行方向飞行；而气球由于没有动力装置和操纵舵面，在水平方向只能随风飘移，但在垂直方向可以通过调节浮力的大小或改变质量的大小进行升降。
2．重于空气的航空器
重于空气的航空器靠自身与空气的相对运动产生空气动力升空飞行。常见的这类航空器主要有固定翼和旋转翼两类，另外还有像鸟一样飞行的扑翼航空器和新近出现的倾转旋翼航空器。
（1）固定翼航空器
固定翼航空器包括飞机（图11）和滑翔机（图12）。
飞机是指由动力装置产生前进推力或拉力，由固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。滑翔机是指没有动力装置的重于空气的固定翼航空器。
滑翔机可由飞机拖曳起飞，也可用汽车等其它装置牵引起飞。部分动力滑翔机装有小型辅助发动机，无需外力牵引就可自行起飞，但滑翔时必须关闭动力装置。飞机和滑翔机最本质的差别在于大部分飞行时间内是否依靠动力装置。实际上，在莱特兄弟发明飞机之前，人类就已经发明了滑翔机，并为飞机的发明奠定了空气动力学和飞行操纵等方面的基础。
（2）旋翼航空器
旋翼航空器包括直升机（图13）和旋翼机（图14）。
直升机是指以航空发动机驱动旋翼旋转作为升力和推进力来源，能在大气中垂直起降及悬停并能进行前飞、后飞、侧飞、定点回旋等可控飞行的重于空气的航空器。直升机和固定翼飞机的最本质区别在于，直升机能够依靠旋翼垂直起降，对起降场地的依赖性很小；而通常意义上的固定翼飞机则只能水平起降，对起降场地的依赖性很大。相对于固定翼飞机，直升机飞行速度慢、震动大。
旋翼机是一种利用前飞时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力的旋翼航空器，全称自转旋翼机。
（3）扑翼机
扑翼机是指能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于空气的航空器（图15），又称振翼机。扑动的机翼不仅产生升力，而且产生向前的推进力。
（4）倾转旋翼机
倾转旋翼机是一种同时具有旋翼和固定翼，并在机翼两侧翼梢处各装有一套可在水平与垂直位置之间转换的旋翼倾转系统组件的飞机。旋翼倾转系统处于垂直位置时，倾转旋翼机相当于横列式直升机，可垂直起降，并能完成直升机的其它飞行动作；旋翼倾转系统处于水平位置时，旋翼倾转机则相当于固定翼飞机。现在世界上唯一有实用价值的倾转旋翼机为美国贝尔公司研制V-22（图16）。
三、遨游天宇的航天器
航天器是指主要在地球大气层以外的宇宙空间，基本上按照天体力学规律运动的各类飞行器，又称空间飞行器。与自然天体不同的是，航天器可以在人的控制下改变其运行轨道或回收。航天器为了完成航天任务，必须具备发射场、运载器、航天测控和数据采集系统、用户台站以及回收设施的配合。
