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航空航天工程 实现飞翔的梦想 |
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航空飞行器 说起航空飞行器，人们一定会禁不住首先想起飞机。而谈起飞机，你一定会如数家珍、兴味盎然地娓娓道来：什么“幻影2000”呀！波音747呀！歼八战斗机呀！B—2隐性轰炸机呀！等等。其实这些飞机不过是飞行器的一部分，更确切地说，它只能算是航天飞行器的一部分。因为单讲飞机，大家熟知的美国“奋进号”航天飞机、“哥伦比亚号”航天飞机，也是飞行机器呢。不过它却是另外一个新的家族，因为它主要是在太空中飞行，而不是在湛蓝湛蓝的天空中翱翔。——那么，到底什么是航空飞行器呢？ 航空飞行器，简单地说，就是指在地球太气层中飞行的器械。地球大气层很厚，它可以分成很多层。在最下面的有两层：对流层、平流层，空气比较稠密，特别是对流层，空气流动性大。几乎所有的航空飞行器都在这两层中飞行，高度大约有80公里。 航空飞行器种类繁多，家族齐全。从贴地上空10厘米的高度，到肉眼无法看见的几十公里的高度，都有我们各显神通的飞行小兄弟。从其用途来说，有专门执行某一任务的“标兵”，也有善使多般武艺的“能手”。从其形状来看，也叫人叹为观止：有的长长的，像一条长龙；有的高高的，像一个擎天的巨人；有的圆圆的，像一个花脸脸盆；有的怪怪的，像一个马戏团丑角，等等。对于这些五花八门、千奇百怪的航空飞行器划分起来比较困难，因为航空飞行器常常是“一机多能”。它们的形状、飞行性能、飞行用途等都可以作为归类的标准，这里只从它们的飞行原理来划分。 气球与飞艇 对于气球，很多人会不屑一顾，以为它算不了什么。然而气球却是实现人类升天梦想的第一个工具。不管如何，它为人类的航空史写下了坚实的第一笔。 气球的原理很简单。我们每人兴许都看见过冉冉直上的炊烟，以及随风升腾的工厂烟尘，却不一定明白是空气的浮力把它们推向了天空。直到公元前三世纪时，古希腊科学家阿基米德才发现了水有浮力这一道理，进而人们得出空气也有浮力这一结论。然而空气有浮力这一原理一直没有得到重用。上千年后，18世纪初，巴西出生的神父巴托洛穆才发明了热气球模型。 1709年8月8日，该气球在印度的卡莎当和葡萄牙的特瑞诺多帕索室内抛高。接下来 1783年，法国造纸工人约瑟夫·蒙特哥菲尔用亚麻布做成了一个直径有30米的大气球。该气球充满了热空气，并上升到 1800米的高度，飞行了两公里。此后不久，记录不断被刷新。一个名叫罗齐尔的人坐气球飞跨了巴黎上空。又过了一段时间，氢气代替了热空气。1785年，一个充满氢气的气球飞越了英吉利海峡。从此，实用气球诞生并得到了应用。 气球在军事、科研等方面得到过广泛应用。第二次世界大战时，英国、前苏联曾在伦敦、莫斯科上空布置过气球，有效地阻止了德国飞机的人侵。 但是气球有很大的缺陷。一方面，高度有很大的限制。到目前为止，热气球的最高高度只为16，805米，是1980年英国人诺特创造的。氢气球和氦气球的最高记录为34，668米，是1961年美国海军中校罗斯和少校普拉热尔创造的。另一方面，气球飞行路线飘忽不定，风对其影响很大，这就不能避免造成许多悲剧。不过，气球的危险并不能阻挡人们冒险的勇气。1981年，一个载有四人的“双鹰5号”氦气球飞行了8382公里，横渡太平洋得到成功。 飞艇比起气球来只多了个动力装置。换句话说，就是在气球上装了三个发动机，只不过可以更有效地人为控制航向罢了。 世界上第一艘硬式飞艇是法国人吉法德制造的。他在气球下装了一个带有螺旋桨的蒸汽机。从此以后，各种各样的飞艇随之产生。特别是现在，随着航空工业的发展，钛合金、铝合金、碳纤维复合材料用到飞艇上，使飞艇质量更轻、载重量更大、使用寿命更长。 在过去，飞艇和气球一样，在战争中曾经大显身手，立下了汗马功劳。第一次世界大战时，德国就建有飞艇舰队，后来它遇到飞机这一克垦才衰落下去。不过，现在它的缺点正在逐步克服。像过去充满氢气的飞艇已经很少见了，原因是它经常起爆，而相对安全的氦气则受到了青睐。飞艇现在已经在运输、空中摄影、地面监视、电视转播等方面发挥了不少作用。我国在1991年举办第11届亚运会期间、1995年举办世界妇女大会期间，就有飞艇在北京上空执行过任务。 飞艇的制造方面，以美国古德伊尔公司的“美洲号”飞艇比较成功。该飞艇长约58米，高18米，容积5742立方米，装有两台发动机，飞行速度可达每小时80公里。1989年，我国也曾制造过“浮空4号”飞艇，该飞艇时速可达70公里。 为了提高速度，未来的飞艇会设计成扁平型；为了减少发动机携带的燃料造成的不便，用核作动力的飞艇有可能出现，那时它的航程会更远。 气球和飞艇由于自身的缺陷，过去一度受到人们的冷落与忽视。现在随着现代科技的发展，新能源、新材料、新设备被配置到气球和飞艇上，使古老的飞行工具焕发出新的活力。 扑翼机与滑翔机 不知道大家注意到没有，在我们的周围，常存在着一些飞来飞去的小生灵。你看那轻盈的小燕子，时而俯冲大地；时而立定盘旋；时而直上蓝天，飞得多么自由自在啊！我们为什么不能也长一对翅膀或者做一对翅膀飞翔呢？想得真好。在遥远的古代，我们的祖先就想到了要制造像鸟一样飞的机器，帮助人们实现展翅飞翔的梦想，这其实也是现代扑翼机和滑翔机诞生的基础。 扑翼机，就是一种能像鸟那样搧动翅膀飞行的机器。不过，现代人设计的扑翼机翅膀是用各种合成材料做的，古代人的扑翼机“机翼”却是用地道的鸟禽羽毛做的，而“机身”却是活生生的人。 扑翼机的设想由来已久。在我国西汉时期，曾经有人用大鸟的羽毛制做了两个特大翅膀，然后这人搧动着翅膀从高楼飞下。他只飞了几百步远，虽然没有成功，却是一种可贵的尝试。也不知道是多少年后，在英国、阿拉伯、土耳其也有人做过类似的试验。不过，这几个人并不都是那么幸运。据说，除了一个士耳其人飞行了好几公里远外，另外的人要么摔断了腿，要么坠地而死，酿成了悲剧。 到了15世纪，意大利的天才设计家达·芬奇设计了一种像鸟一样扑翼的机械，此机械装有翅膀，能用脚来进行扑动。这兴许是现代扑翼机的前身。 但是到目前为止，现代扑翼机并没有真正制造出来。这是为什么呢？其实不要说扑翼机、飞机，就是人真的像童话里描述的那样插上翅膀，也不一定能飞。达·芬奇曾从飞禽的解剖中发现：鸟的臂肌相当有力，而人的臂肌却显得太“苍白无力”了。再说，人即使能像鸟那么快地搧动翅膀，他的血液供应也不够。换句话说，人的心脏跳动和代谢功能赶不上鸟。有统计表明，人即使装上一副约 10斤重的翅膀，它所发挥的功用，还不到小小鸽子的1/10～1/4。——看来，人真是天生不会飞的。扑翼机兴许只是一种设想，虽然我们现在有好多的设计图，但要想真正变成现实，还要我们不断地努力。 有趣的是，无意插柳柳成荫，扑翼机没有产生，人们用人力作扑翼飞行试验时，却派生了另外一种飞行器——滑翔机。 滑翔机不能搧动翅膀，但是它的飞行原理与鸟的滑翔原理相同。鸟儿在飞到一定高度时，利用空气的阻力，或者迎面吹来的气流，展开翅膀，可以进行滑翔。鸟儿在滑翔时一动不动，滑翔机在滑翔时也不需要动力，但是升高却是个问题。 为了解决滑翔机的高度，有的滑翔员从倾斜的山坡上跑步进人空中起飞，还有的像放风筝一样，如莱特兄弟最早制造的双翼风筝滑翔机，通过拉力牵引升入空中。现在的滑翔机先进得多了，相当部分装上了小型活塞式发动机，既可以自由起飞，也可以在空中无需动力自由滑翔。 滑翔机的问世与德国工程师奥托·利林塔尔很有关系。从1891年开始，他自己做了一个带有一把大伞的滑翔机，进行了几千次试验。他的这种滑翔机叫悬挂式伞翼滑翔机，像降落伞一样，目前在国内外流行；还有一种叫固定机翼滑翔机，机身细长，像个真正的飞机。 滑翔机并非只能滑翔，在遇到气流时也可上升，这便叫翱翔。 现代滑翔机主要用于体育活动。我国于1994年研制了“HFY—5”动力滑翔机，该机可以折叠，携带方便，起落跑道距离短，是我国超轻型飞行器队伍中的“新兵”，它在农、林、牧、体育、旅游、商业广告中可担负一定的任务。 飞机与直升机 把飞机与直升机相提并论，有没有搞错？回答是肯定的：没有。直升机不是飞机的派生，它们是两种不同的飞行器。不管是从飞行原理上，还是从它们诞生的年代来看，都有泾渭分明的区别。 飞机的飞行原理与鸟儿不一样，但却和风筝很相似。我们知道，风筝在我们拉着跑时，常常是越升越高。飞机也一样，飞机在向前滑行时，由于速度加大，迎面而来的风也很大。这股风分两部分，一部分跑到飞机的机翼上面，流速比较大，空气的压力小；而流过机翼下面的气流由于空气通路窄，流速小，所以压力大。空气是对流的，压力大的空气向压力小的地方跑，这一跑就产生了一种从下往上的升力，这不，飞机就被空气抬起来了。其实这还是个著名的原理，是瑞士科学家伯努利1726年提出来的。 飞机的升力问题解决了，动力问题又产生了。飞机如果从动力来看，可以分成以下几种： 最先说人力飞机。可别小看人力飞机，人力飞机产生得比较晚，但说到底，它解决的是单靠人是否能够上天飞行的问题。人力飞机的产生，可以说是对“扑翼飞机”失败这一缺憾的一种补偿。人力飞机是伴随着飞机出现而出现的，它一般采用固定的机翼，不过，提供力量的常常是脚而不是手，原因很简单：脚比手力气大。 1936年，德国人海斯勒·维林吉制造了第一架脚踏飞机，但只飞行了40秒钟。1961年，英国三名大学生制造了一架“升攀号”人力飞机，它的主体是一辆自行车，该机飞行了约50米长的距离。1962年、1972年，英国人温彭尼、波特分别驾驶自动的脚踏飞机，各飞了3993、1071.5米。1977年、1979年，美国滑翔机运动员麦克里迪制造了“蝉翼秃鹰”号、“蝉翼信天翁号”人力飞机，取得了很大的成功，其中后者飞越了英吉利海峡。此后，美国的人力固定翼飞机“仿蝙蝠”，在三分钟内沿三角形航线飞行了 1500米，这标志着实用人力固定翼飞行的真正产生已经为时不远了。 接着说螺旋桨飞机和喷气式飞机。螺旋桨飞机和喷气式飞机的原理有所不同。螺旋桨飞机，简言之，就是用螺旋桨来产生拉力的飞机。螺旋桨就像风车上的“转叶”一样。不过，风车是利用气流使“转叶”转动，而螺旋桨飞机却是用螺旋桨使飞机沿气流爬升。说到桨，人们会情不自禁地想到轮船上的桨，其实它们之间并没有本质的区别。 桨是人划的，很慢；螺旋桨是机械转动的，很快，但不能太快。早期的这种飞机桨是木头做的，其飞行能力可想而知；后来钢派上了用场，但是桨转得太快了，磨损大，同样会折断。而且，最令人头痛的是，飞机一旦要接近声音传播速度，即 340米/秒时，螺旋桨就像吃了迷魂药一样，无法控制。经过反复研究，科学家们搞明白了原因：飞机在接近声音速度时，其周围空气来不及流走，因而像一面墙一样堵在飞机前面，飞机当然就束手无策，裹足不前了。 当时，这一飞行难题叫音障。螺旋桨飞机的确是慢一点，无法达到和超过音速。但事物是相辅相成的，螺旋桨飞机也有它的优点，它的耗油量小，对环境的污染不大。目前，一些对速度不做高要求的飞机，如农业飞机，常常使用带螺旋桨的发动机。比如中国的“海燕”多用于专用飞机、印度的HA—31MKll“春天”农业机、英国的 MAC6“农场主”飞机，美国的“农用马车”、苏联的“安— 3”等，就是这样。 喷气式飞机，是为克服“音障”而诞生的。喷气原理最早是牛顿提出来的。不难理解，飞机在喷气时产生巨大的反作用力，推动了飞机前进。我国古老的火箭、现代航天发射的运载火箭，其原理皆同出一辙。 据说牛顿本人设计过一种喷气车。该车装有一个锅炉，锅炉后有喷管，喷出的蒸汽推动着车子前进。早些时候，蒸汽机也曾搬到过飞机上，因为太笨重而淘汰。后来人们使用燃气带动活塞，做成了活塞式发动机。这种发动机一直延用到今天。 现代的喷气式飞机一般使用涡轮喷气发动机。这一点说起来惭愧，中国古代的走马灯其实就是现代涡轮喷气发动机的雏型。涡轮像走马灯的灯片一样，当燃烧室的油点燃以后，热气推动涡轮高速旋转，并向后喷气。涡轮喷气发动机的设想是由一个叫马克亚姆的人提出来的，时间是 1921年。1939年8月27日，世界上第一架涡轮喷气式飞机“HE—178”，由德国亨克尔飞机制造厂制造出来，并试飞成功，但那时的速度仍没有超过音速，每秒只有177米。 1947年，美国拜尔工厂生产出一架X—Ⅰ型火箭飞机。该机利用携带的火药爆炸后喷出的气体推动飞机前行，并首次突破了“音障”，打破了音速不可超越的神话。1953年，美国生产了F—100“超级佩刀”喷气式飞机，速度每秒为442米，大大地超过了音速。此后，各种军用、民用飞机纷纷效仿，采用喷气发动机。如前苏联米格—25、米格—23、米格—29、米格—31战斗机，速度分别为音速的2.8、2.35、2.2、2.4倍。美国的试验机X—15，速度达到音速的6.06倍 （使用火箭发动机）；我国的F—7、F—8战斗机其速度是音速的2.05、2.2倍。 要澄清一点的是，喷气飞机与火箭飞机虽然都喷气，但两者不能混淆。火箭飞机就燃料性能、用途来说都与前者有极大的区别。 最后说一下太阳能飞机和原子能飞机。顾名思义，这两种飞机分别使用的是太阳能和核能。 太阳能飞机上面布满了太阳能电池，电池产生的电流输入电动机后，螺旋桨开始转动并使飞机起飞和飞行。1980年11月20日，由保罗·麦克里迪博士领导的小组设计的“太阳挑战者号”飞机首次试飞成功。1981年7月，该机用五个小时，成功地飞越了英吉利海峡。太阳能飞机很轻，结构多使用碳纤维材料，机上还蒙有一层聚酯薄膜，并安装有1.6万块太阳能电池。“太阳挑战者号”每小时可达54公里，飞行最高高度为3300米，显然实用性并不是很大。太阳能飞机关键问题是蓄电。在不久的将来，科学家们一定能研制出高效能的太阳能电池，并能突破上千公里的航程。 原子能飞机迄今尚未真正问世。此种飞机安装有核反应堆，用金属铀—235作燃料。它的原子核在中子的轰击下会产生裂变放出中子，并释放能量。但是核裂变时会发生对人有害的核辐射，必须采用保护层进行隔离。1956年1月，美国曾研制出核喷气发动机，但是由于其隔离防护设备过于庞大，无法安上飞机，最后花了10亿美元，15年的研制最终流产。不过，由于能源费用上涨，科学家们又开始重新考虑原子能飞机设计方案。我们相信，原子能飞机迟早会出现在人们的视野中。 以上分别介绍了各种飞机，现在回过头来说直升机。直升机不是飞机，它首先是一种直上直下的飞行器。直升机与螺旋桨飞机有割不断的联系。螺旋桨飞机的桨是装在飞机前面的，它使飞机向前推进，受力与地面垂直；但如果螺旋桨装在飞机的上部，那么飞机的受力将与地面平行，这不，向前的推力就变成了向上的升力。 直升机说起来令人遗憾，它的起飞原理与我国的竹蜻蜓相似。早在1600年前，我国晋代葛洪就提到过一种带有升力螺旋桨的竹蜻蜓；后来，竹蜻蜓传到欧洲，启发了不少科学家和技术人员，于是造出了直升机。1483年，意大利天才科学家达·芬奇提出了直升机旋翼的设想，并制作了草图。1754年，俄国M·B·罗索诺若夫进行了直升机旋翼模型试验。1878年，法国人福拉尼用蒸汽机作动力，制造了一架横型直升机；1907年、1922年法国工程师伯雷格、黎歇、俄国人博塔扎特分别制造了直升机，但都没能真正飞行。1939年，俄国人西科斯基研制了第一架实用直升机VS—300，并试飞成功。说到这儿，大家已经明白，直升机只有五十多年的历史，对于飞机老大哥来说，只能算是小弟弟了。 直升机的形状很怪，其尾部有一个螺旋翼，它一方面起方向舵的作用，另一方面还可以抵消大螺旋翼对直升机的旋转力。有的大型运输机干脆使用两个大的螺旋翼，它们的功能都一样，不过一定要明白：两个螺旋翼的方向相反，才能抵消它们对直升机的旋转力。直升机有人称之为“直升飞机”，是因为它还能够像飞机一样向前飞行。不言自明，直升机只要操纵整个旋翼，使之倾斜，就可以改变飞机受力方向，自动前行。由此，现代人把直升机理解为可上可下、可前可后的飞行器，并把它编入飞机行列，是顺理成章的事。其实直升机与飞机本身也可以互补，你看，“X翼机”就是这样。 X翼机，它是直升机和一般飞机的杂交种。“X翼机”上面有直升机旋翼，因而它可以直起直落。但是它的“X”形大旋翼在停止转动时则又变成了一般飞机的机翼。而平直的机翼受到的阻力大，飞行速度低；斜形的机翼，两个向后掠或者向前掠，或者干脆一个前掠一个后掠的机翼，却可以提高速度，因而就有了前掠翼飞机、斜直翼飞机、后掠翼飞机等。然而“X翼机”可以把它的“X”旋翼调到任意想要的形状，充当特别形状的机翼，达到一般直升机所不能达到的速度。看来，飞机设计虽要合乎常理，但也离不开异想天开的想象力。前面我们说飞机与直升机是两个泾渭分明的飞行器，到这儿，“X翼机”真成了兼有两种飞行器特点的地道的混血儿了。 冲翼艇 本世纪60年代，在海上出现了一种怪物：它形状像船，但又不在水上乘风破浪；说它是飞机，却又不在高空展翅飞翔，它总是紧贴着水面，就差那么一点距离，不高不低地执著地向前飞。这个怪物就是冲翼艇。 冲翼艇的产生归功于“水面效应”的发现。这儿还有一个有惊无险的故事呢。本世纪30年代，德国一架水上飞机由于油路出了故障，从高空直往下落，本来机组人员料定要出事。可是神了，飞机在离地10米左右的高度时开始拉平水平高度，不往下落了。其实也不怪，飞机在10米以下的高度飞行时，机身下面的空气受到压缩和排挤，形成一股向上的升力。正是这种力拯救了升力不够的德国飞机。 此后，科学家们根据“水面效应”原理，制造出一种贴地面低高度飞行的运载工具，这就叫冲翼艇。冲翼艇分两种，一种叫主效艇，可以在“地效区”内外航行。它由水上飞机改装而成，有一个大船身，还有一幅长而大的机翼，机动性好。德国的“X－114”是一种成熟型，它长约12.8米，翼展7米，艇高2.9米，采用活塞式发动机，在浪高1.5米上飞行，最大速度为230公里/小时。另一种叫全效艇，仅适于“地效区”。它由水面舰船演变而来，但它的自由飞行能力不强，离地（水）面也不高。德国 80年代使用的 TAFVⅡ—3串翼全效艇，使用两台活塞式发动机，艇长14米，翼展6.6米。它可以离地0.15～1.02米，并能乘坐15人，航速为每小时133公里。另有百吨级 TAFVⅢ—10客运冲翼艇，巡航高度为三米，航速为每小时230公里，可乘坐400人。 美国目前研制的600吨级冲翼艇艇长72.5米，翼展32.9米，艇高10.4米，可一次载四辆主战坦克，设计速度达491公里/小时。据说美国千吨级的冲翼艇也在研制，到时速度可达648公里/小时。独联体也有“河上快车”，其重量为500吨，共装有10台喷气发动机，时速可达555公里，飞行高度为7～15米。我国也研制成功了XTW—2客运冲翼艇，该艇翼展12.7米，总长18.5米。 冲翼艇综合了水上飞机、舰艇、船只的优点，它在军事、客运等方面发挥了重要作用，它为航空飞行器增添了新的光彩。 气垫飞行器 很多人听说过飞碟，却没有真正看到过飞碟。但是像飞碟那样的飞行器是有的，并且已经问世，这就是地毯飞行器。 地毯飞行器和以往任何飞行器不同，它利用的是“地毯原理”，即在飞行器下面底盘上装上一个大的风扇，向下面吹风，将空气压缩，形成高压空气区，像气垫一样。由于飞行器上部气压小，这样就自然而然形成了一种垂直于地面的升力。飞行器升起来后，再靠其他发动机就可以向前后左右方向飞行。 地毯飞行器，也叫做气垫飞行器。它可以用于水面和地面。但是地面由于障碍多，且吹起来尘埃大；而且由于造价昂贵，所以都没有多大的实用价值。据说，气垫汽车和气垫火车都可以制造，其中气垫火车的速度可达每小时400公里。 海上气垫飞行器有开发的价值。有消息说，俄罗斯和英国联合研制了一种海上气垫飞行器，它由两组发动机提供动力。这两组发动机分别为飞行器提供垂直和水平的机动能力，显然它是飞机和冲翼艇的结合。它利用发动机的喷气形成气垫，将其托在空中，再贴近海面飞行，这种飞行器机长73米，翼展50米，可在离海面14米的高度飞行；亦能在海上和陆面简易机场降落，最大巡航速度为560公里/小时，可载客400人。 磁性飞机 高速磁悬浮列车，兴许一些人听说过，或者见过。它像一条长长的巨龙，浮在轨道上，能够高速行驶。其实啊，这种火车并没有接触轨道，而是在离地10厘米的上空平稳地飞跑。准确地说，它应该叫磁性飞机。 那么，磁性飞机是怎么悬空的呢？道理很简单：同性磁力相斥，异性磁力相吸。当列车与轨道产生磁性相斥力时，车身浮在空中就理所当然了。 磁性飞机的产生不过二十几年，这首先应归功于超导材料。 70年代，科学家们发现，有一种材料——超导体，在超低温时电阻极小。用它导电，产生的磁力特别大，大到可以顶起列车的地步。磁悬浮列车上都装有超导磁体，当然它也带有水平推进装置。 高速磁悬浮列车速度很快，每小时可达几百甚至上千公里，是相当便捷的运输工具。当然，不用说，由于它没有污染，相当安全，越来越受到更多国家的重视。 目前，一些国家如日本已有这种列车，我国国防大学已经研制出这种机车模型。相信在不久的将来，神州大地上一定会出现中国制造的会飞的巨龙。 |
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