第1个回答 2007-05-07
机的起源:
一,热气球:
1783年蒙特哥菲尔兄弟以纸做衬里,用亚麻布做成一个直径约30.5公尺的气囊,在昂诺内市集进行漂浮表演.气球上升到1830公尺高度飘行了2300公尺.这项成功带给世人极大的鼓舞与想像空间,热中飞上天空的人们纷纷投入,欧洲各地兴起一股热气球热.
二,航空科学之父:乔治.凯利
不过热气球基本上没有动力,之所以能飞行,主要是在气球下方加热,应用空气加热体积变大,密度变小以及重量减轻的原理,使气球腾空飞起~
所以乔治.凯利将研究重点放在开发动力推进的飞行器.
首先凯利提出固定翼飞机的设计概念.他在《关於空中飞行》这本著作中详述重於空气飞行器之飞行原理,系统的讨论现代飞机的概念,受到这本著作的影响,使得许多人开始投入研发重於空气的航空器,凯利也因此被称为《航空科学之父》.
三,滑翔翼之父:奥托.李林塔尔
奥托的动力飞行基本上是模仿鸟类翅膀,做法相当奇特,其基本构想是,利用压缩二氧化碳驱动大约两马力的引擎,让机翼上下摆动飞翔,试飞却不如预期顺利,因为压缩二氧化碳为动力只能维持很短的时间,引擎转动一会儿就停止,翅膀也只拍了几下,而且重量加倍降落速度更快,危险程度随之提高,因此1896年奥托推出翼面积20平方公尺的二号机,试飞前即发生坠落身亡的意外事故,因为是意外事故丧生,所以亲友特地在奥托的坟墓墓碑上刻了『牺牲是难免的』,而这句话正是奥托生前的口头禅.
四,第一架飞机(飞行者一号)的制造者:莱特兄弟
1903年12月17日,在北卡罗莱纳州的霍克海滩上,飞行者一号像一只白色的巨鸟昂然挺立,显得十分轻盈.它的机身骨架和机翼都是用又轻又牢的枞木制成的,螺旋桨也是枞木的,弯曲的机翼上蒙著薄薄的但十分结实的棉布.飞机的长度为6.5m,翼展12.3m,整架飞机的重量为280kg,飞机完全靠螺旋桨的推动力起飞.
这天飞行者一号总共进行了4次飞行,第一次试飞是由弟弟奥维尔·莱特驾驶的,飞机摇摇晃晃在空中飞行了12秒钟,在36米远的地方降落下来.而后来得到世界公认的第一次自由飞行则是由哥哥威尔伯·莱特驾驶的第四次飞行,飞机在空中用59秒的时间飞行了260m.此次飞行留空时间很短,但这是一项伟大的成就:它是人类历史上有动力,载人,持续,稳定,可操纵的重於空气的飞行器的首次成功飞行.这次成功飞行具有十分伟大的历史意义,为人类征服天空揭开了新的一页,也标志著航空飞机时代的来临.
莱特兄弟完成人类首次飞机飞行,自始世界各国相继投入飞机开发与研究,1952年便有英国彗星号喷射客机,1970年美国推出巨无霸喷射客机,1976年英法两国合作完成协和式超音速飞机.
以协和客机为例,飞行速度大约是飞行者一号的40倍,巨无霸喷射客机重量更超过飞行者一号1000倍以上!
正因为飞机日新月异地进步,今天我们才能乘坐他们旅行全世界!
飞行者一号模型
依照该设计图复制出一模一样的1/2比例的飞机
飞行原理 :
要在空中飞行,需要考虑的不外乎空力的问题,要制造具有优越的空力的飞机就必须考虑到 重量,升力,阻力,推力 四个基本要素.
谈重量除去机体重量,燃料乘坐的人之外还包括货物的撘载量.
升力就是飞机胜过重量的力量.
阻力就是种种气流交织在一起把飞机引向后方的力量.
推力就是胜过抗力在空气中使飞机前进的力量.
鸟类和飞机的升力,主要是藉著气流流过机翼表面的气流所造成的.
航空界以前有句俗语说 : 「只要有强力的引擎即使是门板也一定能飞.」这句话虽然是夸张了点,但并非不切实际,因为只要给予螺旋桨强大的马力,任何笨拙的机翼也能强拉飞起来.但是要在空中飞的更有效率分法是调整机体的形状.换句话说,要最大限度的发挥升力,最小限度的抑制阻力.
飞机在前进的时候,机翼上面的气流比机翼下面低,也就是说,飞行中的飞机就是在空气中气流插进去的异物,促使气流把飞机往上推挤.
升力大小因为种种的因素而被决定.
其中之一就是机翼的面积,被气流吹打的面积越大,产生的升力越大.第二个要素是速度,流经过机翼的的空气越快,上下的压力差也就越大.第三个要素是冲角,也就是说,对气流的机翼的倾斜度在某一定界线内,使得机翼上面的气流通路较长,速度便增加,与机翼下的流速差增加,升力也就变大,因此冲角越大升力也越大.
随著升力的作用与飞机的前进便产生了所谓的阻力,阻力主要有三种,那就是摩擦力,形状阻力和诱导阻力,前两种是因为飞机通过空气发生的,可以藉著航空科学的进步和机体流线形调整而减小,我们可以想像一个方盒子跟一个圆球在空气中前进的阻力差别.诱导阻力则是机翼所产生的升力的副产物,可以说这是发生升力必然引起的代价.因为升力是由於气压差所产生,但是同时也发生吹下或伴流之类的情势.这主要是在翼的尖端引起的,随著飞机的前进,机翼尖端便会产生螺旋状的气尾,将飞机拉向后,这就是所谓的诱导阻力.
一个机翼不可能无限长,一定有端点,我们现在知道翼端是很多问题的根源,翼前缘有点后掠的飞机,因几何形状的关系,翼前缘的气流不但往后走而且往外流,使翼端气流更复杂.
於是有各式各样的方法来减少诱导阻力,常见的有 :
1:把翼端整成圆弧状,尽点人事.
2:把下翼面往上整形,希望涡流尽量离开翼端.
3:把翼端装上油箱或电子战装备,顺便隔离气流,不让它往上翻.
4小翼:目前最流行的作法,大部分小翼是往上伸,但也有些是往下伸的,实机的小翼很明显,飞行时看的非常清楚,波音747-400的小翼相信很多搭乘过的人都注意到,小翼的作用除了隔离翼端上下的空气外减少诱导阻力外,因安装的角度关系还多少可提供一些向前的分力节省一点马力.
除了这三种阻力之外,其实还有另外一种阻力,不过这是在飞机以超音速飞行时才会产生.
一架飞机能够飞上天空以后,飞机的飞行时间是我们接著需要考虑的重要要素,而展弦比是飞机长时间飞行的重要要素,因为如果一架滑翔机有非常高的展弦比,即使没有乘上升气流,他仍就可以滑行很久.
所谓的展弦比,就是翼长与翼弦的比例,通常展弦比越大机翼就显的越细长.藉由机翼的展弦比就可以知道飞机撘载一定燃料时,可以飞行多远.
飞机最重要的部分当然是机翼了,飞机能飞在空中全靠机翼的浮力,机翼的剖面称之为翼型,为了适应各种不同的需要,航空前辈们发展了各种不同的翼型,从适用超音速飞机到手掷滑翔机的翼型都有,翼型的各部名称如,100年来有相当多的单位及个人做有系统的研究.不过为翼型实在太多种类了,飞机界称呼翼型一般常分成以下几类 :
1,全对称翼:上下弧线均凸且对称.
2,半对称翼:上下弧线均凸但不对称.
3,克拉克Y翼:下弧线为一直线,其实应叫平凸翼,有很多其他平凸翼型,只是克拉克Y翼最有名,故把这类翼型都叫克拉克Y翼,但要注意克拉克Y翼也有好几种.
4,S型翼:中弧线是一个平躺的S型,这类翼型因攻角改变时,压力中心较不变动,常用於无尾翼机.
5,内凹翼:下弧线在翼弦线上,升力系数大,常见於早期飞机及牵引滑翔机,所有的鸟类除蜂鸟外都是这种翼型.
6,其他特种翼型.
以上的分类只是一个粗糙的分类,在观察一个翼型的时候,最重要的是找出它的中弧线,然后再看它中弧线两旁厚度分布的情形,中弧线弯曲的方式,程度大至决定了翼型的特性,弧线越弯升力系数就越大,但一般来说光用眼睛看非常不可靠,克拉克Y翼的中弧线就比很多内凹翼还弯.
在评价一部飞机的性能上,翼面负载是评估一架飞机性能很重要的指标就翼面负载是主翼每单位面积所分担的重量,模型飞机采用的单位是每平方公寸多少公克〔g/dm2〕,实机的的单位则是每平方公尺多少牛顿〔N/m2〕,翼面负载越大意思就是相同翼面积要负担更大的重量,如果买飞机套件的话大部分翼面负载都标示在设计图上,计算翼面负载很简单,把飞机〔全配重量不加油〕秤重以公克计,再把翼面积计算出来以平方公寸计〔一般为简化计算,与机身结合部分仍算在内〕两个相除就得出翼面负载,例如一架30级练习机重1700公克,主翼面积30平方公寸,则翼面负载为56.7 g/dm2.
机翼的升力随攻角的增大而增加,攻角就是翼弦线与气流的夹角〔如图3-10〕,攻角为零度时对称翼此时不产生升力,但克拉克Y翼及内凹翼仍有升力,后二种翼型要负攻角才不产生升力,不产生升力的攻角叫零升攻角〔如图3-11〕,所以对称翼的零升攻角就是零度,谁都知道攻角增加有一个上限,超过这上限就要失速,那机翼什麼时候会失速呢 〔图3-12a〕是飞机正常飞行时流经机翼的气流,〔图3-12b〕是飞机失速时的气流,这时上翼面产生强烈乱流,直接的结果是阻力大增,而且气流冲击上翼面,使升力大减,於是重力主控这架飞机,就是摔下去啦.
那我们想事先知道机翼什麼时候会失速,这就有需要知道雷诺数,雷诺数原始公式是:
Re=ρ V b/μ
Re=ρ V b/μ ρ是空气密度,V是气流速度,b是翼弦长,μ黏性系数.
雷诺数越大流经翼表面的边界层越早从层流边层过渡为紊流边界层,而紊流边界层不容易从翼表面分离,所以比较不容易失速,雷诺数小的机翼边界层尚未从层流边层过渡为紊流边界层时就先分离了,一般翼型的资料都会注明该资料是在雷诺数多大时所得,展弦比如没特别说明则是无限大,翼型资料上大都会告诉你雷诺数多少时在几度攻角失速,雷诺数越大越不容易失速〔如图3-13〕,一架飞机的失速角不是一定值,速度越慢时〔雷诺数小〕越容易失速,翼面负载越大时,因飞行时攻角较大也越容易失速,三角翼飞机翼弦都很大,所以雷诺数大,比较不容易失速.
实机在设计时都会设法在失速前使机翼抖动及操纵杆震动,或者在机翼上装置气流分离警告器,以警告驾驶员飞机即将失速.
飞机的设计过程:
所谓设计飞机是把一个构想,由意识形态的产生,到实际具体飞机呈现眼前之一系列,一连串之行动及工作,其经过构思,调查分析,初步打样细部蓝图绘制,零件制造,采购装备及试飞…
一般飞机设计可分三大阶段:
成型设计阶段
在此阶段中对飞机一般尺寸大小,外观形状以及内部安排要适当研究及决定.研究的方式是采用参数比照法对翼载,机翼后掠角度,弦展比,厚度比以及一般机翼,尾翼之位置加以分析比较,选取最适当之数据与安排.
同时,对多种引擎加以分析比较,选取最适合飞机外形及结构需要,并能满足任务需求之引擎,控制面的大小,决定於静态稳定以及操纵的需求.
再者,在此阶段对未来的成本以及制造也要做初步的分析.虽然此阶段所完成之设计在大体上可以满足任务上的需求,但是在设计的进一步过程中仍允许做适当修正.此阶段所有的工作均为纸上作业!
初步设计阶段
在成型设计阶段,根据成本或性能所选择之最佳大小尺寸,外型及安排,制成模型经风洞试验之后,再做进一步的调整与修正,慢慢地外型开始趋於固定,而不再做修正.
此时飞机所用引擎以选定,对於进气道及引擎短舱结构等问题进行详细之研究 .倘若进气道结构十分复杂则风洞试验是必要的.决定一架飞机或其他飞行器的飞行性能,如速度,高度等,除飞机重量,发动机推力等要素外,最重要的因素是作用於飞机的空气动力.空气动力主要决定於飞机的外型.在设计和研制飞机时,首先是设计其外型,因此就可以奠定作用於飞机的空气动力并推算飞行性能.但是,这个工作只能做在最前,不能在飞机制造出来以后.因此确定飞机空气动力的实验设计主要是风洞.
对於主要结构的负载,应力,挠度等分析此刻应已随结构设计而展开.气弹,疲劳及颤振等分析亦应进行,某些结构件的静力实验亦应开始筹画执行.
更准确之重量估算及更透彻之性能分析,在此阶段要不断的分析计算.同时对制造方法,工具,模型,夹具等,要做详细之计划与安排,动态稳定性与控制对操纵面之影响在此时亦应决定.
细部设计阶段
此时一切外型均已决定,不再做更动.是否制造 在此时应做最后决定.细部结构设计在此阶段内应完成.所有工具设计,制造蓝图,型架设计,夹具接头等亦应在此阶段内完成.内部细部安排,诸如装备安装的固定座,油压管路,通气导管,控制钢绳以及电线线路管等的固定均应决定.
为了实际上的方便,实体模型在此可用於协助内部的安排.根据实际工作的进展,对成本做再进一步可靠的估计.所有之装配及另件此时皆已决定.
问题:
什麼叫做风洞
风洞简单来说就是用来测试一物体的风阻,空气力学等系数,而这个物体可以是汽车模型,飞机模型,机翼模型.
风洞实验的基本原理是相对性原理和相似性原理.根据相对性原理,飞机在静止空气中飞行所受到的空气动力,与飞机静止不动,空气以同样的速度反方向吹来,两者的作用是一样的.但飞机迎风面积比较大,如机翼翼展小的几米,十几米,大的几十米(波音747是60米),使迎风面积如此大的气流以相当於飞行的速度吹过来,其动力消耗将是惊人的.根据相似性原理,可以将飞机做成几何相似的小尺度模型,气流速度在一定范围内也可以低於飞行速度,其试验结果可以推算出其实飞行时作用於飞机的空气动力.
而且风洞实验在航太科技发展过程中扮演重要的一环,莱特兄弟於1903年试飞成功的动力飞机,其机翼翼型设计乃借助於风洞实验;迄今飞行器的发展仍非常仰赖风洞实验测试,所得到数据提供设计以及性能验证所需.风洞实验应用亦从航太领域扩散至其他领域,如污染扩散及防治,风力工程,建筑设计,环境规划等,因此风洞实验技术对工程应用的领域相当广泛.
飞机一定要逆风起飞吗
当然不是,不管是顺风或是逆风都能起飞的,要不然哪天飞机场吹著逆风,各家航空公司不就全部停摆
只不过逆风起飞有比较多的好处:
增加飞机的指示空速,使飞机提前到达正常的起飞速度.(等於延后飞机的失速 时机,增加飞机的操舵控性能)
缩短飞机起飞所需的跑道长度,使飞机提前离地飞.
万一飞机在跑道上因故放弃起飞,逆风有助於飞机的减速和停机.