给人类插上翅膀

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  2009年11月8日,在中国空军建军60周年庆典活动期间,我国宣布“正在研制第四代战机,可能很快就要首飞,首飞后又很快进行试飞,其装备部队可能还需8到10年”。这则消息在国际上激起千层浪,外国媒体纷纷从不同角度进行解读。
  2009年11月23日,中国空军对国外的相关评论和报道进行了澄清,说“中国的第四代战机是指歼-10战机的改进型系列飞机,而不是类似于美国F-22战机那样具有隐身、超音速巡航以及超机动性能的西方第四代战机。对于作战飞机的划代表述,世界主要军事强国不尽一致,第二天,新加坡《联合早报》评论道。中国在国庆60周年阅兵中展示的一系列先进武器装备,出乎国际社会的预料,也使一些西方舆论对中国军力的快速增长再次感到担忧。中国否认正在研制类似F-22的第四代战机,应该是为了减轻外界对中国军力发展的疑虑。
  不管我国下一代战斗机的研发进展的实际情况如何,战机在目前国内最为先进的歼-10飞机的基础上再向前一步发展是必要的,也是可能的。只是前面提到的与我国研发“第四代”战斗机的数则消息,使得很多军事爱好者或读者又一次把注意力集中到战斗机的划代上。很多读者都知道,战斗机的划代,以俄罗斯和美国为代表,各有划分为5代和4代的说法但很多读者不知道,近年来,在美国也出现了5代的观点,只是此5代非彼5代、那么,战斗机到底是如何划代的?或者说,其主要依据是什么呢?如果我们搞清楚诸如飞机为什么能够飞行,衡量飞机性能的基本要素是什么,飞机的发动机是什么样等等问题,我们就能更好地理解战斗机划代的依据,而这就是本期开始推出《飞行原理与战斗机的划代》系列文章的目的。在这样一组文章里,你或许会发现,飞机中的很多奥秘,竟是如此地贴近我们的生活,如此的平易,如此的有趣。
  
  给人类插上翅膀
  
  飞向天空对于人类来说,是亘古以来的理想,是长久不衰的话题、在远古时代,人类用神话的方式寄托飞天的美好愿望,神话世界因而变得更加绚丽多彩,如中国的嫦娥奔月、孙悟空的腾云驾雾以及封神演义中的雷震子,西方的安琪儿(天使)、伊卡洛斯和《一千零一夜》中可飞行数百里的巨人,无不反映了人类渴望在空中自由翱翔的梦想。
  古人认为,人类之所以不能飞行,是缺少像鸟儿一样能够挥动的翅膀,因此,人类早期对飞行的探索是用羽毛做成翅膀插在双臂上尝试飞翔。一次次失败让人类认识到,仅凭人的肌肉之力,飞向天空是困难的。之后,人类从风筝的飞行中获得启示,认为用固定机翼而不是挥动的翅膀,能让比空气重的东西飞起来。风筝,本质上是世界上第一种重于空气的飞行器,飞行原理和现代飞机相似,即与空气产生足够速度的相对运动来克服自身的重量,获得向上的升力。风筝发明于中国已有2 000年的历史。在美国国家航空博物馆的展牌上写道:“世界上最早的飞行器是中国的风筝和火箭”,英国国家博物馆则把风筝称为“中国的第5大发明”。
  那么,飞机是如何与空气产生相对运动的?又靠什么部件产生足够升力的?在回答这些问题之前,让我们从人类航行的实践说起。
  
  湖面上两艘相撞的小船
  
  当两艘靠得很近的小船并肩行驶在宽阔的湖面上,按照人们的想像,水在两船之间,好像插进一把楔子,把两船分开了。但事实恰恰相反,这两艘小船会自动靠拢并发生相撞。原因就是两船之间的水的压强小(用负号“-”表示),两船外侧水的压强大(用正号“ ”表示),内外侧存在压强差,因此两船外侧更大的水压会把两船压得向中间靠拢,我们还会发现,两船间的船舷中间粗、两头细,这样,两船中间的水流面积要小于两船外侧的水流面积,其中的水流也要比两船外侧的水流稍快。
  实际上,在河水浅而窄的地方,水流得比较快,在宽而深的地方,则流得比较慢。夏天乘凉,人们都喜欢穿堂风,山谷中的风一般比平原开阔地来得大,这都说明了一个道理:像水或空气这样的流体,在面积小(管道细)的地方,流得就快(流速就大),在面积大(管道粗)的地方,流得就慢(流速就小)。在流速大的地方,压强就小;在流速小的地方,压强就大。这在专业上,分别叫作“流体连续性定理”和“伯努利定理”,这是飞机能够飞行的理论基础。
  
  “一路顺风”还是“一路平安”?
  
  我们前面讲过的风筝飞行的原理,首先要有足够的风力,即风速。风速快了,风力就大。如果风力不够大,人们会拉着风筝之线逆风奔跑使风筝飞起来,这实际上是增加空气(风)相对于风筝的运动速度,从而获得更大的风力。如果风力很小甚至无风,即使人牵着线跑起来,也不能产生足够大的相对速度使风筝飞起。也就是说,风筝之所以能够飞起是因为风力产生的升力足以克服自重。
  飞机要在空气中飞行,道理与风筝类似,有一股力量克服了它的自重把它托举在空中。如果说,空气的力量托起风筝已让人类惊异的话,那么,重达二三百吨的现代飞机被看不到摸不着的空气托起,则让人叹为观止。但事实确实如此。当空气流动时就形成风,它作用到物体上会产生“空气动力”,有可能很大,也可能很小,跟空气流动的速度,或者说风速有很大关系。
  由于飞机很重,要克服自重飞起,必须有很大的空气动力和运动速度,或者说风速。但是,自然界的风即使再大,相对于使飞机飞起来的风速,也是远远不够的。幸运的是,飞行力学中有一个可逆性原理,飞机动、空气不动和飞机不动、空气动,两种情况下产生的空气动力是等效的,既然空气的速度不能大到所要求的程度,只好让飞机产生足够大的速度,这就是飞机配备发动机的原因。正是有了发动机的拉力或推力,才使得飞机产生相对于空气足够的运动速度,并最终升起。
  当飞机和空气的运动方向相反时,飞机相对于空气的运动速度更大,有利于产生更大的升力。我们在车站送别的时候,对即将乘车远行的朋友或亲人,常常会说一声“一路顺风”。而当我们在机场送别即将乘飞机离开的朋友或亲人,就不要说“一路顺风”而应该说“一路平安”了,因为顺风和逆风相比,飞机相对于空气的运动速度要小,不容易获得升力,这也就是为什么飞机通常选择逆风起飞的道理。
  
  飞机为什么要昂首起飞
  
  产生的升力能否克服飞机的重量使飞机升起,与空气动力作用在飞机上的部位和飞机的姿态有关系。
  在飞机的各个组成部分中,产生升力的主要部位是机翼。远看机翼,似乎和风筝样,都是平板。19世纪初,英国科学家卡莱曾说过:“所谓机械飞行,就是为一块平面提供动力,使它能在空中支持一定的重量。”现在我们就以气流中的平板为例,看看一定速度的空气作用在平板上是如何产生升力的。   首先看看平板垂直地放在气流中的情况,如果平板不动,气流以一定的速度向右运动,那么在流到平板的前面时,气流由于受到阻拦而慢了下来。在平板的中点,这个速度甚至降低为0,根据伯努利原理,这里的压强增大,形成高压强区域,高压气流会向外挤压临近区域的气流,使气流绕过平板的上下两端后,逐渐汇合或收缩。气流因惯性和没有阻挡,流速较快,继续向前冲,来不及汇合在一起,因此压强较低平板前后的压力差,方向向右,这就是空气动力(实际上还要包括空气和平板之间的摩擦力),它和气流的方向一致,和平板的运动方向相反,阻止平板前进。这种情况下,空气动力全部表现为阻力。此外,右侧低压区的空气得到向前冲的气流带动,就形成了许多漩涡。这种气流离开障碍物(如平板)的现象,是专业上非常重要的一个概念——气流分离。
  然后看看平板斜放在气流中的情况。此时也在平板两侧产生较大的压强差,也形成了作用在平板上的力。而且由于下方的气流在平板的阻挡下改变运动方向,因此对平板也有一个反作用力,所以整个平板上的空气动力是斜向上后方,其中向上的一个分量克服平板的重量,使平板升起,是升力;水平方向上的分力和气流方向一致,和平板的运动方向相反,就是阻力。
  飞机机翼上产生升力的情况和平板类似,只是机翼的外形与平板并不相同,剖面是前粗后细或前钝后尖的流线型,能有效减少阻力,同时产生的升力远远高于平板。平板产生的升力一般只比阻力大5-6倍,而机翼上产生的升力一般比阻力大20倍以上。此外,机翼剖面在攻角为零时也能产生升力,这是因为机翼不对称的流线型剖面。现在人们已经设计出了近2万种不同的翼剖面。
  不过在大多数飞机上,机翼在零攻角时产生的升力只比飞机重量大一点,为了让飞机尽快爬高,起飞时机头总要上仰一些,让机翼产生更大的升力,在下降时,飞机速度低,也就意味着气流速度低,为了维持必要的升力,也需要保持一定角度的上仰。这个角度叫做攻角,又叫冲角或迎角(不是仰角),对于机翼来说,攻角就是翼弦与气流方向的夹角,可以想像,攻角不能太小(极限情况就是平板平直地在气流中),也不能太大(极限情况就是平板垂直地在气流中),否则升力都不够。当攻角过大时,如果没有其它办法,空气动力在竖直方向上的分力(升力)急剧减少,而在水平方向上的分力(阻力)急剧增大,这就是“失速”。失速出现时,由于升力不够,飞机会绕机头至机尾的方向(称为纵轴)旋转并垂直下降,飞机重心的运动轨迹是一条螺旋线,称为“尾旋”。如果有足够的高度,驾驶员可以从尾旋中改正出来,否则可能机毁人亡。“失速”刚刚出现的攻角叫“临界攻角”,一般为15度至20度。
  
  逐渐退出天空的双翼机
  
  气流给予飞机的升力,除了刚刚提到的攻角外,还和四个因素有关。
  首先是机翼的面积。因为升力的产生首先是机翼上下表面的压强差,升力与机翼面积成正比。在计算机翼面积时,位于左右机翼之间并相连的那部分机身面积,也应计算在内,同时,机翼面积只能算机翼上下两面中的一面。
  我们从实际经验得知,速度越大,感受到的风力越大,升力也就越大,升力同飞机相对于气流运动的速度的平方成正比。
  可以推断,升力与空气密度成正比:气流越稠密,就有越多的空气分子在提供升力,即空气密度越大,升力越大。
  机翼的剖面形状也与升力有关。前钝后尖型的“拱形”机翼剖面所产生的升力远远大于风筝似的平板剖面。在飞机早期发展中,人们没有认识到机翼剖面形状对飞机升力的影响,采用的就是平板剖面。想增加升力,就加大机翼面积如果一块机翼的面积不够,就再增加一块机翼,这就是双翼机的由来。从1903年莱特兄弟发明人类历史上第一架有动力的双翼机以来,被广泛用到20世纪20年代末,在第一次世界大战期间,最著名的18种飞机都是双翼机、单翼机虽然已经出现,但是应用不广。当人们集中注意力解决上天问题(也就是解决升力和重力的矛盾)时,不得不增大机翼面积采用双翼机。当飞机发展的主要矛盾变成提高飞行速度(也就是解决拉力和阻力的矛盾)时,双翼机上下翼之间支撑和加固机翼作用的支柱和张线带来了很大阻力,对提高速度很不利。加之后来人们认识到机翼剖面形状对升力的巨大作用,双翼机逐渐退出历史的天空,目前只有某些低速轻型飞机如初级教练机或农业机还保留着这种机翼型式。
  改变机翼的剖面形状来增加升力的装置就是飞机上的缝翼和襟翼等。当飞机飞行速度较低时,即使增加攻角,升力仍然很小,不能维持飞机的平飞,也不能将攻角增加很大,否则会引起失速,为维持足够的升力,可以打开缝翼或襟翼。
  一般在大攻角下,特别是攻角接近或超过临界攻角时才使用前缘缝翼,因为此时才会发生气流分离。打开位于机翼前缘的缝翼时,会与机翼表面形成一道缝隙,下翼面的较大压强的气流通过这道缝隙,得到加速而流向上翼面,增大了机翼上表面附近气流的速度,降低了压强,消除了这里的大量漩涡,恢复了上下压强差,延缓了气流分离,避免了大攻角下的失速。
  襟翼位于机翼的后缘,靠近机身,在副翼的内侧,其在飞机上的位置近似于衣服的衣襟(即靠近胳肢窝)处,所以称为襟翼。襟翼的种类很多,但作用基本相同。我们坐飞机时,经常看到飞机着陆时,襟翼会放下,这样做可以使机翼更弯拱,增加升力,同时也增加了阻力,有利于飞机着陆。
  
  从美国大片看现代飞机和传统飞机的区别
  
  在美国大片《空战英豪》中,真实地再现了双翼机独霸天空的情形,实际上,早期的飞机相比于现代飞机,除了机翼数量不同带来外观上的巨大差异外,还有两个明显区别。首先是早期飞机的发动机,几乎都是螺旋桨型,置于飞机机头位置。现代飞机,虽然有的发动机外观看上去也是螺旋桨的,但此螺旋桨已远远非彼螺旋桨,在后期文章中我们会作介绍。
  其次,现代飞机和传统飞机的起落架布置也有很大差异。飞机的起落架型式有很多。早期飞机曾使用过4个起落架,就像汽车一样,但结构复杂,重量和阻力也较大,特别是不容易收放。经理论和实践证明,三个支撑点就够了,所以,飞机上经常使用的是三点式起落架。
  既然是“三点”,也就是三个轮子,又是前后放置,就面临“一点(一个轮子)”是放在飞机重心前还是重心后的问题、如果有2个轮子放在重心之前(称为主轮,一般都是靠近重心),剩下的1个轮子放在重心之后,靠近机尾,这就是“后三点”,反之就是前三点(2个主轮置于重心之后,离重心较近)。前三点相比后三点,允许着陆速度较大。因为后三点式的飞机如果着陆速度太高,前方遇到碰撞或急刹,易于倒立,俗称“拿大顶”。这是因为其后轮离重心较远,力臂较长,在急刹车时会在机尾上产生较大的向上力矩,导致飞机尾部抬起,在美国大片《木乃伊》第三部中,男主人公为赶在秦王之前到达香格里拉乘坐飞机,因气象原因不得不在雪山上迫降而急刹车,后三点式起落架的飞机就出现了倒立,这种镜头在现代飞机上是不会出现的。
  要使飞机上天,需要解决升力和重力的矛盾。飞机在空气中以一定的速度运动,通过适当设计机翼的形状和让飞机在气流中保持合适姿势以获得足够的升力。飞机能飞起来后,人们又希望它飞得更快,就需要解决另外一对矛盾,即由发动机所提供的拉力或推力与阻力的矛盾。
  那么,飞机在飞行过程中会遇到哪些阻力?有什么办法可以减少这些阻力呢?请看下期《飞行原理与战斗机的划代(2)》。
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