人类航空发展历程

第一章　人类航空发展历程

人类首次靠热气球“登天”

虽然人类怀揣着飞行的梦想并不断实验、探索,但是人类始终未能如愿地登上理想的高空,与蓝天、白云做更亲密的接触。热气球出现后,人类才勇敢地踏上了高空。

纸片的启发

18世纪,法国造纸商蒙戈菲尔兄弟因受碎纸屑在火炉中不断升起的启发,用纸袋集聚热气做实验,使纸袋能够随着气流不断上升。1783年9月19日,在巴黎凡尔赛宫前,蒙戈菲尔兄弟为国王、王后、宫廷大臣及13万巴黎市民进行了热气球的升空表演。同年11月21日下午,蒙戈菲尔兄弟又在巴黎穆埃特堡进行了世界上热气球第一次载人空中航行。热气球飞行了25分钟,在飞越半个巴黎之后降落在意大利广场附近。

飞行动力

热气球的唯一飞行动力就是风。对于环球飞行的热气球来说,必须选择速度和方向都合适的高空气流,并随之运动,才能高效地完成飞行。就像环球旅行时需要不停地换飞机一样,热气球需要搭乘不同的气流。热气球的高度通常要达到十几千米,在不同的高度受气流影响时飞行的速度是不同的。需要调整速度时,飞行员所要做的工作就是调整热气球的高度,从而改变飞行速度。

主要构成

热气球,更严格地讲,应该叫做密封热气球,由球囊、吊篮和加热装置三部分构成。球囊是由强化尼龙制成的。尽管它的质量很轻,但很结实,是不透气的。吊篮由藤条编制而成,着陆时能起到缓和冲击的作用。而燃烧器是热气球的心脏,用比一般家庭煤气炉大150倍的能量燃烧压缩器制成,点火燃烧器是主燃烧器的火种。一直保持火种,即使被风吹也不会熄灭。另外,热气球上有两个燃烧系统,以防备空中出现故障。

热气球运动

热气球运动具有航空体育比赛、探险、休闲、空中摄影、高空作业、气象探测、旅游观光、空中广告、地质地貌测绘、青少年科普教育等多重功能。热气球运动在国外已经流行很久,近些年来在国内开始受到人们的热捧。尤其是热气球运动是一项老少皆宜的运动和健身项目,因而具有非常广泛的受众面。

投资者的新宠

世界上很多精明的企业家都不惜投入巨资赞助热气球比赛和探险活动。如可口可乐、百事可乐、米其林和财富杂志等都有自己庞大的热气球队伍。日本本田公司连续十几年赞助日本举办百球规模的热气球大赛,柯达公司赞助美国的热气球比赛已经发展到有七百多个热气球参赛的规模。我国的热气球运动开展以来,越来越受人们的欢迎,企业家和飞行爱好者都从不同的角度关注着这项时尚运动的发展。

飞艇的诞生

空气同水一样,也有一定的密度。当存在于空气中的物体密度小于空气的密度时,这个物体就会慢慢地飘浮起来,也就是说,空气也有浮力。飞艇就是在这种浮力的作用下不断升上高空的。人们把密度小于空气的气体充入气囊内,气囊就带动着舱体飞了起来。

飞艇与热气球

有人可能会将飞艇与热气球混淆起来,它们两个虽然外形很像,但有着本质的区别。首先,二者的升空方式不同:热气球是将空气加热使之密度减小,借助空气浮力升上高空;而飞艇气囊内所充入的气体本身密度就比空气密度小,因而能够在空气中飘浮。其次,飞艇依靠发动机和推进器,不像热气球完全靠风力作为前进的动力。

飞艇的发展史

1852年,法国人亨利·吉法尔用蒸汽机装配了第一艘部分可操纵的飞艇。这个雪茄形状的飞艇长44米,直径12米,发动机输出的功率是3马力,时速10千米。

德国的齐伯林研制的飞艇开创了一个飞艇广泛用于商业飞行和军事目的的新时代。

齐伯林出生于一个德国贵族家庭,快50岁时才以中将军衔退出现役,开始从事飞行事业。他的第一艘齐伯林式飞艇“LZ-1”号于1900年试飞(此时在新大陆,莱特兄弟正专心于他们的飞机研究)。

1906年,他制造了一艘新的飞艇“LZ-3”号。“LZ-3”号的飞行取得了完全成功,两个小时飞行了97千米。到这个时候,齐伯林的成绩终于引起了德国政府的重视。

1937年,载着97名乘客的大型飞艇“兴登堡”号在美国赫特湖附近的机场着陆时爆炸起火,飞艇时代就算结束了。“兴登堡”号是德国人1936年制成的,它曾10次往返于美国和德国之间,总共运送旅客1000多人,但最终发生了飞行史上有名的空难。

喜爱的“食物”

飞艇也是一个“挑食”的家伙,充入飞艇大胃囊的气体,其密度必须小于空气密度。人们通常使用的是氢气和氦气,但它们也都有其自身的不足之处。氢气的重量虽然轻,但它是一种可燃性气体,这给运行中的飞艇带来了很大的安全隐患,不小心就会发生起火、爆炸等事故。氦气虽然不具有可燃性,但它比氢气重一些,要产生相同的浮力,飞艇的体积就要非常大,这样的庞然大物是很不容易控制的。

齐伯林飞艇

1900年,德国的弗迪南德·冯·齐伯林伯爵将两台内燃机发动机应用在他的飞艇上。这艘飞艇也就是有名的齐伯林飞艇。另外,他还对飞艇的气囊作了改造。他用铝材做飞艇的骨架,用来保持气囊的形状不变,气囊中也有很多分割的小气囊。这种气囊结构不同于以前的软式飞艇,需要气体的压力才能保持形状,人们便将这种飞艇称为“硬式飞艇”。

飞艇的应用

早期的飞艇多用于军事活动,但是存在体积大、速度慢的问题。现代的飞艇大都用来在特定的场合渲染气氛,如在巴塞罗那奥运会上,飞艇出现在会场上空,用来宣传和空中摄像。近些年又出现了高空执行预警侦察的专用飞艇。这种飞艇配有太阳能电池,能够长期飘浮于高空执行预警和侦察任务。由于飞行高度的关系,这种比空气轻的飞行器可以避开暴风雪和狂风,长达数年地模仿同步卫星与地面保持相对固定的位置。

带“翅膀”的飞行器——飞机

当看到鸟和昆虫挥动着翅膀在空中飞翔的时候,人类也想尝试一下。于是,人类怀揣着最初的梦想开始了对飞翔的探索。凭借着坚持到底的信念和不断探索的精神,终于有一天人类飞上了蓝天。飞机出现了,它带着人们飞翔在更高的高空,人们似乎伸开双臂就可以拥抱蓝天。

插翅而飞

一直以来,人类从鸟挥动翅膀得到启发,利用羽毛或其他人造物做成类似翅膀的工具,靠挥动双臂或者其他机械的方式想要飞翔。其中最著名的有达·芬奇设计并制造的扑翼机。达·芬奇是15世纪欧洲文艺复兴时期伟大的文艺、科学巨擘。他不仅在绘画上有很高的造诣,在科学研究上也有着自己的突出贡献。他设计的扑翼机有宽大的翅膀,还有一个三角形的尾羽,完全模仿鸟的样子设计。人仰卧在机翼中部,拉动特制的手柄来控制翅膀挥动,但他的这一设计并没有获得成功。

最初的试验

英国的乔治·凯利爵士发明了第一架滑翔机,但不能称为真正意义上的飞机。在他之后,1874年和1884年法国的迪唐普尔和俄国的莫查依斯基,相继推出了自己发明的飞机。虽然他们采用蒸汽机驱动,可飞机只能作短距离的跳跃飞行,仍旧不能算是真正的飞机。

真正的飞机

莱特兄弟将真正意义上的飞机带给了人类。1903年,他们制造的“飞行者”1号是第一架依靠自身动力,并且能够载人飞行的飞机。这架飞机经过了4次试飞,不断改进,在最后一次试飞的时候在空中停留了59秒,飞行距离达到260米。

冯如发明飞机

冯如是中国最早的飞机设计师和飞行员。他于1908年制造出自己的第一架飞机。1909年9月21日,他在美国奥克兰市附近的派得蒙特山丘上试飞成功。后来他又对自己的飞机进行了新的调整和改良。他后期研制的飞机时速可达105千米,能够在高度为210米的高空上飞行32千米。

首次飞越大西洋

1919年6月14日,人类驾驶着飞机首次飞越了大西洋。完成这一重要使命的是英国的阿尔科克上尉和布朗中尉。他们驾驶着“维米”式飞机,从加拿大纽芬兰的圣约翰斯起飞,次日凌晨降落在英国境内。飞行当天天气非常恶劣,但最终他们还是在艰难中顺利完成了飞行。

垂直起降的直升机

在遇到一些紧急情况时,人们需要飞机的援助。但是,在一些特殊的地方,没有能够供飞机起飞和降落的长距离跑道。于是,人们开始思考有没有一种可以垂直起降的飞机,能够在较小的空间内直升直降。直升机的出现,实现了人类的这一美好的愿望,帮助人们解决了许多实际中的困难。

直升机的发明

很早以前发明家们就已经认识到,得到升力的途径之一是使用一种叫做水平旋翼的旋转器械。在19世纪的欧洲,人们对旋翼飞行器或称直升机(它们出名后的叫法)颇感兴趣。路易斯·布雷格特与雅克·布雷格特兄弟俩建造了一架精心设计的直升机。它有4个聚集在飞行员周围的水平旋翼,飞行员坐在飞机的中部。兄弟俩于1907年9月在法国杜埃试验了自己的航空器。他们没有去冒自由飞翔的危险,而是用绳子把飞机拴在地面上后再启动发动机。直升机上升了约1.5米,然后又重新降落到地面上。

与此同时,法国人保罗·科尼也在制造一架直升机。1907年11月,他在科西厄克斯进行了第一次飞行,这次,直升机作了一次短暂的、无绳子拴着的飞行。直升机终于离开了地面。

布雷格特兄弟俩和科尼进行了试验,但是第一架实用的直升机直到20世纪30年代才制造出来。伊戈尔·西科斯基在1939年建造了第一架真正成功的直升机VS-300。

家族的母版

1939年春,美国的伊戈尔·西科斯基完成了VS-300直升机的全部设计工作,同年夏天制造出一架原型机。这是一架单旋翼带尾桨式的直升机,装有三片桨叶的旋翼,旋翼直径约8.5米,尾部装有两片桨叶的尾桨。其机身为钢管焊接结构,由V型皮带和齿轮组成传动装置。这种单旋翼带尾桨式直升机成为现在最常见的直升机类型,很自然地被尊称为直升机家族里的母版。

起飞的奥秘

直升机的旋翼高速旋转,在与周围的空气相互作用中产生了向上的升力,这就是直升机起飞的动力。它主要是靠桨叶的旋转产生,所以即使在半空中直升机的发动机停止运转,飞行员仍旧可以通过特殊的装置使桨叶保持转动,防止机体快速下降。

民用直升机

直升机自问世以来,在民用领域获得越来越广泛的应用。1947年10月,美国洛杉矶航空公司首次用S-51直升机开辟世界上第一条直升机固定邮政航班。第一条直升机国际航线是1953年在比利时开辟的,那一年S-55直升机把布鲁塞尔、鹿特丹和马斯特里赫特与法国里尔联系起来。后来在一些大城市的两个机场之间建立了直升机航班,如英国伦敦的希思罗机场和盖特威克机场之间、日本东京的成田和羽田机场之间。

民用直升机的另一次大发展是围绕开发北海油田展开的。英国、荷兰、挪威有很多家直升机公司为这个地区的油气田探测、海上钻井平台提供后勤服务,运输人员和物资。

直升机在农业上也得到广泛应用。根据英国直升机顾问委员会的资料,苏联有7000架直升机用于农业,远远领先于美国(1000架)和英国(60架)。

其他能应用直升机的领域还有地质勘探、水电建设、鱼汛侦察、交通管理、观光旅游、抢险救灾、新闻采集、影视制作、环境监测、治安巡逻、公安执法等。

客机——空中交通工具

客机狭义指民航客机,是体型较大、载客量较多的集体飞行运输工具,用于来往国内及国际商业航班。民航客机一般由航空公司运营。执行商业航班飞行的客机主要分为干线客机、支线客机。客机按航程分为短程、中程、远程。客机按起飞重量与载客量分为小型、中型、大型。客机按驱动方式分为螺旋桨式客机、喷气式客机。

客机的简史

专门设计的客机出现于1919年。英国最早制造一架DH-16单发动机的4座客机。在后来层出不穷的螺旋桨客机中,美国研制的DC-3(1935年)曾被认为是最出色的。20世纪50年代出现的喷气式客机,是民用航空技术的重大发展。1956～1958年投入航线使用的客机,巡航速度在800千米/小时以上,飞行高度在万米以上。代表性的客机有英国的“彗星”Ⅳ、苏联的图-104、美国的波音707和DC-8。20世纪60年代初出现的中、短程客机采用了耗油率较低的涡轮风扇发动机,机翼有高效率的增升装置,缩短了起降滑跑距离。代表性的有美国的波音727、波音737、DC-9,英国的“三叉戟”。20世纪70年代出现的宽机身客机大大提高了载客能力,由以前客机的100～150人增加到350～ 500人。代表性的机型有美国的波音747、DC-10、L-1011,欧洲的A-300和苏联的伊尔86。20世纪80年代初研制的中程客机的特点是省油、低噪声和机载设备先进。代表性机型有美国的波音757、波音767、欧洲的A-310等。

客机的分类

客机依其分类标准的不同,可有以下划分方法。

(1)按飞机的用途划分,有民用航空飞机和国家航空飞机之分。国家航空飞机是指军队、警察和海关等使用的飞机,民用航空飞机主要是指民用飞机和直升机,民用飞机指民用的客机、货机和客货两用机。

(2)按飞机发动机的类型分,有螺旋桨飞机和喷气式飞机之分。螺旋桨式飞机,包括活塞螺旋桨式飞机和涡轮螺旋桨式飞机。飞机引擎为活塞螺旋桨式,这是最原始的动力形式。它利用螺旋桨的转动将空气向机后推动,借其反作用力推动飞机前进。螺旋桨转速愈高,则飞行速度愈快。喷气式飞机,包括涡轮喷气式和涡轮风扇喷气式飞机。这种机型的优点是结构简单,速度快,一般时速可达500～600英里(1英里=1.609344千米);燃料费用节省,装载量大,一般可载客400～500人或100吨货物。

(3)按飞机的发动机数量分,有单机(动机)飞机、双发(动机)飞机、三发(动机)飞机、四发(动机)飞机之分。历史上曾经出现过六发飞机,即协和飞机,于1959年首飞,2003年退役,其速度可在15000米的高空上达到2.02倍音速。

(4)按飞行的速度分,有亚音速飞机和超音速飞机之分。亚音速飞机又分低速飞机(飞行速度低于400千米/小时)和高亚音速飞机(飞行速度马赫数为0.8～8.9)。多数喷气式飞机为高亚音速飞机。

(5)按飞机的航程远近分,有近程、中程、远程飞机之分。远程飞机的航程为11000千米左右,可以完成中途不着陆的洲际跨洋飞行。中程飞机的航程为3000千米左右,近程飞机的航程一般小于1000千米。近程飞机一般用于支线,因此又称支线飞机。中、远程飞机一般用于国内干线和国际航线,又称干线飞机。

我国民航总局采用按飞机客座数划分大、中、小型飞机。飞机的客座数在100座以下的为小型,100～200座为中型,200座以上的为大型。

支线客机

支线客机通常是指100座以下的小型旅客机,主要用于大城市与中小城市之间的旅客运输。支线航空是20世纪60年代才开始兴起的,但发展速度很快,特别是在美国1978年对民航运输业采取“放松管制”政策以后,发展更加迅速。

支线客机按座位多少,形成不同的档次,主要有10座级(一般为8～9 座)、20座级(15～21座,一般为19座)、30座级(28～40座)、50座级(40～65座)、80座级(70～85座)、100座级(90～110座)。各航空公司可以根据不同航线的距离和客源情况,选择最佳机型。从世界范围看,航空运输呈不断增长的趋势,导致航线和机场拥挤问题日益突出,由于新建或扩建机场都受到用地紧张、保护环境等因素的限制,使支线飞机的研制出现大型化的趋势。据美国联邦航空局统计,1978～1987年间美国支线航空客机的平均座位数从11.9个增加到20.1个,增长68.1%,到1999年已加大到29.1个。另外,从全世界不同时期各类支线飞机的比例也能看出支线飞机大型化的趋势。

美国是支线航空最发达的地区,目前共有1922架支线客机,其中大部分是涡轮螺旋桨式飞机(占73.1%),其次是活塞式飞机(占24.8%)、直升机(占1.1%)和喷气式飞机(占1%)。从座位数看,数量最多的是10～19座飞机,占总数的39.5%。但研制生产支线飞机的厂家大多在欧洲(英国、荷兰、法国、意大利、德国和瑞典)及世界其他地区,如加拿大、巴西、印尼、中国等。

掠翼飞机

早期的飞机多采用直机翼,后来为提高飞机的飞行速度,作超音速飞行,飞机发明家们竭尽智力地研究机翼的形状和布局,而前掠、后掠、变后掠、斜翼和X翼等形形色色的飞机机翼就是他们独具创新的设计。这些机翼有一个共同特点就是都带有掠角,因此,我们把装有这些机翼的飞机统称为掠翼飞机。

第一架前掠翼飞机是第二次世界大战中出现的德国制容克JU-287大型喷气轰炸机。它的最大飞行速度是810千米/小时,比当时的任何螺旋桨飞机都快得多。有人认为这种飞机的试飞成功是高速飞机设计的一项革命性突破。但奇怪的是,在飞行中发现,铝合金前掠翼发生严重颤振和翼梢扭曲变形,成为它的致命弱点,这种飞机的研制因此而搁置。

20世纪80年代,随着复合材料和控制技术的进步,前掠翼飞机才东山再起,重新发展。美国格鲁门公司研制了两架X-29A前掠翼验证机,机翼上用碳纤维复合材料,以特殊铺层的办法制作蒙皮而解决了这一关键问题。在爱德华空军基地试飞时,发现这种飞机的升力增大了30%～40%,阻力减小了10%～ 20%,重量减轻了约25%,飞行速度达到音速的1.5倍,取得了惊人的成果。

现在,美国计划将X-29A验证机的试验成果应用到先进技术战斗机的方案上,着手研制具有实战能力的前掠翼战斗机。他们提出的方案很多,其中最具特色的是前掠双垂尾的布局。这种战斗机作大机动飞行时前掠立尾前方的气流恰好垂直于它的前缘,这样,方向舵就会达到非常好的气动效果,而且横侧操纵能力也会大大增强。当然发动机的转向喷口也可以帮助纵、横向操纵,使其更加机动灵活。

后掠翼飞机,人们对它并不陌生。早期的一些亚音速战斗机为了改善性能也采用后掠机翼,美国在20世纪40年代初研制成功的XP-55战斗机就是典型的一种。现役超音速战斗机的机翼都带后掠,令人瞩目的美国F-16和俄罗斯米格-29战斗机就是采用大后掠角的边条翼和三角翼组合的布局,使气动特性得到极大改善。

第二次世界大战结束时,美国从德国法西斯手中缴获了大量国防机密资料,发现梅塞施米特公司当时正在设计变后掠翼的P-1101战斗机。该设计可使平直机翼转成后掠翼,又可把后掠机翼转成平直机翼,这引起美国空军的极大重视,并决定制造样机进行试验。1948年,贝尔公司承担了研制任务,样机定名为X-5变后掠翼研究机。

1951年,第一架可变后掠翼飞机试飞成功。1964年,美国的F-111变后掠翼战斗机问世,轰动世界。此后各国飞机设计师纷纷效仿,先后已有十多种先进的变后掠翼战斗机和轰炸机问世。如美国的F-14,俄罗斯的米格-23、米格-27、苏-27等战斗机;美国的B-1、俄罗斯的“海盗旗”等超音速战略轰炸机等。

变后掠翼飞机在高速飞行时机翼转成大后掠角,飞机的阻力小,加速性能好,抗阵风能力强;起落和低速飞行时,机翼转成平直和小后掠角,飞机的续航时间增长,经济性能好,起落距离短,安全,因而成为现代战斗机和轰炸机设计中的重要举措。

X形机翼飞机的方案很早就有了。美国对它的研究也不少,而美国航空公司在20世纪80年代末提出X形机翼的新型战斗机方案却很奇特。

这种飞机机翼为X形翼,一副前掠,一副后掠,像一只大蝙蝠。飞机的机身短,进气道和发动机都装在腰部,喷口处于X形翼后缘交汇处。发动机的喷气流从机翼表面上向后诱导出强气流,不但带走前掠翼与边条翼交汇处形成的乱流,而且这股气流产生的环量可以大大提高机翼的升力,据估计,这种飞机的机动性能将极其优越。

美国西科斯基公司提出了直升机和X型翼飞机结合为一体的新方案,用X形机翼进一步进行转换试验。计划中的这种飞机具有极强的性能,在各种飞行条件下都能够达到最佳的飞行状态,人们正企盼着这种新型飞机的问世。

民用运输机

航空中用于客货运输的飞机,我们称之为民用运输机。民用运输机在飞机家族中占有非常重要的地位,人类发明飞机的最初愿望就是为了客货高速、不受约束自由地运输,实现自己的飞翔梦想。由于服役时间长、经验丰富,民用运输机自然而然地就成为“老前辈”。

发展过程

民用运输机虽然在飞机诞生后不久就产生了,但是直到20世纪30年代才趋于成熟。当时美国和德国制造了以活塞式发动机为动力装置的飞机。第二次世界大战结束后,航空技术发展很快。20世纪50年代出现了涡轮螺旋桨飞机,如英国的“子爵”号飞机等。同一时期,涡轮喷气式运输机研制成功,这被认为在民用运输机的发展史上具有划时代的意义。

分　类

民用运输机是一个非常笼统的概念,根据不同的分类标准又可以把它细分为不同的种类。通常根据起飞重量的差异分为小型、中型、大型三种。按航程远近不同可分为近程、中程、远程三种。按用途又可以分为客机和货机。

机身构造

机身是整个飞机的主体,布置有客舱、行李舱和服务舱,前部布置驾驶舱和操纵系统。为了保证旅客的安全和舒适,现代客机的客舱都是增压密封舱,舱内装有空调、供氧、救生等设备。周到的服务,舒适的环境,让旅客在享受高空之旅的时候暂时缓解焦躁和不安的情绪。

私人飞机

公务包机(专机)和私人飞机,从类别上说它们均属于客机,并根据机型不同归入到远程、中程或短程客机里面。远程包机目前也只有政府才能拥有,如美国总统的“空军”一号。中程和短程公务包机很多企业已经拥有了,其中又以小型公务包机为最多。私人飞机目前只有短程一种,乘员2～5人的最为普遍,费用比较高昂,只有少部分人才能够拥有。

民航客机的未来

随着民航事业的迅速发展,乘坐飞机的人越来越多。一方面使一些繁忙航线的航班数量迅速增多,给空中交通管制带来很大负担;另一方面人们对于远程航线特别是越洋航线的飞行时间仍感偏长,迫切需要缩短时间的愿望也越来越强烈。

因此,未来的客机需要朝高速化和巨型化方向发展。要实现这一目标,还需要很长的一段路要走。

新的驱动力——喷气式飞机

驱动飞机前进的动力有很多。在发现蒸汽机、内燃机可以为飞机提供这种动力的同时,人们还发现了喷气的力量,这是一种区别于前两者的动力驱动方式。喷气式飞机就是依靠这种动力,实现了人类追求更快、更高的飞行目标。

第一架喷气式飞机

1939年8月27日,人类航空史上第一架喷气式飞机试飞成功。它是飞机设计师亨克尔和燃气涡轮专家奥海恩共同制作完成的,名为He-178喷气式战斗机。这架飞机的机身由亨克尔设计,发动机是奥海恩研制的推力为380千克的Hes-3B涡轮喷气发动机。在巨大的轰鸣声中,这架飞机冲上蓝天,带领着飞机进入了喷气时代。

喷气的原理

如果以为世界上的动力装置只有蒸汽机和内燃机,那么喷气发动机就要不“高兴”了。喷气发动机是利用压气机先将空气吸入,然后在燃烧室内让燃油燃烧,加热空气。加热后的空气带动涡轮转动,涡轮又带动压气机给气体加压。最后,这种高压的燃气从发动机的排气锥和推力喷管喷出,产生向后的推力。

喷气式飞机表演

现在,人们由喷气式飞机尾部拉烟现象得到启发,在一些特殊的场合安排了特别的“拉烟表演”。表演中,喷气式飞机尾部喷出五颜六色的烟雾,不断变换飞行路线,在空中留下美丽的图案。这种烟雾的产生,是因为在飞机的翼尖、机腹或者机尾安装了专门的烟雾释放装置,能够在表演中释放出烟雾来,它与喷气式飞机在自然状况下产生的烟雾并不一样。

留在天上的尾巴

当喷气式飞机从天空中飞过的时候,人们常常会看到它身后拖着一条长长的“尾巴”,在飞机飞过很长一段时间后,仍旧留在天空中。这条“尾巴”叫做飞机“尾迹云”。只有当喷气式飞机在20℃的环境中飞行,而且空气湿度很高,接近于饱和,同时大气又比较稳定的时候才会出现。飞机尾部喷出的废气使空中的低温高湿空气凝结,就形成了人们看到的长长的白色“尾巴”。

应用于战争

因为喷气式飞机的飞行速度很快,所以人们一直都在考虑将其应用在军事方面。在第二次世界大战中,喷气式飞机就投入了使用。英国和德国都将一部分喷气式飞机应用在这次战争中,美国和日本也从英、德两国那里引进了制造喷气式飞机的技术。

以水面为跑道的水上飞机

普通飞机的起飞、降落和停泊都要以平坦、坚实的陆地作支撑,可有一种特殊的飞机,它可以在水面自由地完成许多动作,让其他飞机望尘莫及,这就是水上飞机。水上飞机可以根据人们特殊的需要,在水面上又快又好地完成飞行或其他任务,是人类水上作业的好帮手。

“两栖动物”

水上飞机可以看做是“飞机与船的结合”。最早实现这种结合的是法国人亨利·法布尔。他从1907年开始了对水上飞机的研究。1910年3月28日,他所研制的飞机第一次试飞,但是没能离开水面。后来,他对这架飞机进行了改良。在第二次飞行中,飞机离开水面飞行了500米,真正成就了“飞机与船的结合”。世界上第一架水上飞机就此诞生了。

第一架水上飞机

亨利·法布尔制造的世界上第一架水上飞机,严格来说是一架浮筒式的水上飞机,就是将普通飞机的起落架改装成可以在水面上浮起的浮筒。整个机身是木质结构,浮筒是用弹性较好的胶合板制作而成。整架飞机在水中由三个浮筒支撑,一个装在机身前面,另外两个分别装在机翼下面。

浮筒式水上飞机

浮筒式水上飞机一般多是小型飞机。在机身下方装有一或两个浮筒,将机身与水面分离,有些飞机在机翼两边还装有小型辅助浮筒,以避免飞机因为往两侧倾斜而翻覆的危险。自第一次世界大战开始,巡洋舰以上的军舰多半会携带一架或者更多的浮筒式水上飞机,进行远距离侦查、目标搜索等任务。当飞机降落时先降落在军舰附近的海面上,然后由军舰上的起重机将飞机吊回舰上并安置妥当。这一类搭载方式的浮筒式水上飞机也可以由水面直接起飞。

用途广泛

水上飞机由于特殊的性能,用途非常广泛,最早人们将它应用在军事活动中。装上炸弹、鱼雷等的水上飞机,是很好的进攻武器。在第一次和第二次世界大战中,水上飞机在侦查、进攻、与空军协同作战等方面,都是功不可没。在和平年代,当油轮不慎在海中泄漏时,水上飞机可以帮助喷洒化学药剂,清理水面上的浮油,防止造成污染。另外,在一些需要特殊气氛的场合,水上飞机还能够进行精彩的水上表演。

未来的畅想

人们对水上飞机的思考和改进并没有停下来。人们希望将水上飞机和潜艇结合起来,实现水上、水下、空中三栖作业。有人提议将其与潜艇合用,可以将飞机从水下射出;也有人提议对机翼进行改造,将其设计为可折叠式的,在水下时将其折起,到空中再展翼。这些都还只是初步的设想,人们还在不断地探索中。

特殊的客机——公务机

公务机是在行政事务和商务活动中用做交通工具的飞行器,也称行政机或商务飞机。公务机一般为9吨以下的小型飞机,可乘4～10人。但有的国家把总统、国王、皇室成员专用的要人专机也列入通用航空范围,这时波音747这样的大型飞机也可以列入公务机行列了。

公务机中也有许多如“湾流”“奖状”“挑战者”等机型的喷气式飞机。这些飞机的飞行速度与大型机相比毫不逊色,巡航高度可达12000米,最大航程有的可达到12000千米。大多数国外公司都使用现代的、多台涡轮风扇发动机或涡轮螺旋桨发动机的公务机,或者安全性能高的直升机。

用　途

在一般人的概念中,公务机就是私人小飞机。但这样理解并不全面,在国外的确有许多私人拥有公务机,然而国内相当多的公务机都属于公务机租赁公司,当用户需要的时候可以向租赁公司租用,许多即将飞到上海来的公务机就是临时被一些公司老板租用的。当然,世界大跨国集团一般会拥有由数架公务机组成的机队,并配备飞行和地勤人员。

优　势

公务航空公司或私人营运的公务机不受航班时间的限制,不受目的地的限制,因而有很好的行程灵活性、时间保证性和乘坐稳定性。

公务航空是一种非常安全有效的旅行方式,能使人力和时间的效率最大化。对乘客来说,利用公务航空不仅能够节约雇员的时间,增加途中的效率,使非商务时间最小化;还能够确保行业机密,反映一个企业的正面形象,并满足个人对旅途安全性和舒适性的要求。

乘坐公务机旅行,是企业良好经营业绩的展现。它将集中体现公司对时间和效率的极大关注,树立蓬勃向上的企业形象。用公务机接送重要客户也将给客户留下深刻的印象,使商业信誉升值。

发展潮流

当今大公司领导人在商务旅行时都坐的是公务包机。与此同时,海尔、华晨等公司也作出了同样的选择。包租公务机,正成为一些大企业商旅人士的首选。而“远大”“春兰”等企业,更组建了自己的公务机队。至于海外大公司,《财富》500强中已有341家公司拥有了自己的公务机或公务机队。

发达国家的状况

公务航空是按照某一旅客或机构的特殊要求,通过专门设计的航线,在约定时间内向旅客提供包机飞行服务。许多大公司使用公务飞机运送人员和紧急物品到分布在各地的公司或客户地点。

目前全世界在飞的民用飞机总数约为38万架,但航班飞机不到10%,90%以上都是公务机和工业、农业、娱乐及体育用飞机。

发达国家公务机较多,如美国拥有各种飞机20.5万架,公务机的年飞行小时早已超过航班飞机的年飞行小时。有1.5万家企业用自己的飞机从事公务运输。在美国,适合公务机起降的机场较多。航班飞机适用的机场不到600个,但适应中型飞机起降的机场超过5000个,适合小型飞机起降的机场则约有19000个。

超音速客机

1986年2月,美国总统里根要求研制一种空天飞机的民用型高超音速客机,这使超音速客机的研制经过1/4世纪的沉寂后开始升温。美国将这种超音速客机命名为“东方快车”,会大大提高跨越太平洋运输的巨大潜力。

空天飞机作为一种高超音速运输机,具有推进效率高、耗油低、载客量大、飞行速度快等优点,是实现全球范围空中运输的一种经济而有效的工具。

“东方快车”是一种大型民用客机。外形尺寸比一般客机长两倍,载客305 名,航程12870千米,巡航时速5600千米,最大时速16090千米,飞行高度30千米。它所采用的推进系统是多循环方式的组合式发动机组,使用液氢做推进剂。这种飞机使用费用与目前的宽体客机波音747等差不多。

逃避雷达追踪的隐身飞机

隐身飞机是指利用各种技术手段减弱或改变自身特征信息使之不易被发现的飞机。“隐身”(亦称“隐形”)仅是一种借喻,并非指飞机在目视能见距离内不被发现。

隐身飞机采取的技术措施主要有雷达隐身技术和红外隐身技术。①雷达隐身技术。主要有低散射气动外形技术、隐身材料技术和阻抗加载技术等。低散射气动外形技术是设计适当的气动外形布局以减弱飞机在雷达接收方向的散射效应。如采用翼身融合体和半埋式座舱,使机翼与机身、座舱与机身平滑过渡,融为一体;减少飞机表面能造成散射的突起物,对外挂武器进行保形设计或内埋设计;采用S形弯曲的进气道和尾喷管,在进气道和尾喷管内加隔板,抑制进气道和尾喷管空腔反射和压气机、涡轮的镜面反射;采用尖头的翼型和进气道唇口;将飞机的所有边缘设计为少数几个平行方向,使所有边缘的雷达散射波集中形成少数几个固定方向的反射波束,其他方向的反射波很弱,形成闪烁的雷达信号,不易辨别;尽量减小飞机的几何尺寸,减少飞机部件。隐身材料技术是在飞机表面涂敷电磁波吸收材料,以减小飞机的雷达截面积;尽可能使用复合材料。阻抗加载技术是在飞机金属表面并联等效负载,以改变飞机的固有电磁谐振特性,减小飞机的雷达截面积。②红外隐身技术。主要是通过改进结构设计和应用红外物理学研究的成果来吸收和减弱飞机的热辐射能量,使红外探测设备难以发现。发动机是飞机的主要热辐射源。采用二元喷管,取消加力燃烧室,在燃料中加入添加剂,使燃料充分燃烧,可以减弱排气的红外辐射;采用异形喷管以改变红外波长,使工作在特定波长的红外探测器失效;对发动机尾喷口的喷焰进行遮挡,改变喷口喷流方向,在喷管外安装红外吸收装置等措施,都可以达到一定的红外隐身效果。此外,在机身上涂敷红外吸波涂料,用加碳纤维吸热复合材料覆盖机身,可进一步提高红外隐身的效果。

第二次世界大战期间,一些飞机采用经试验的迷彩涂料,降低飞机与天空背景的对比度,减小飞机的目视特征。这是最早、最简单的隐身飞机。20世纪60年代初,美国的U-2和SR-71侦察机开始采用雷达隐身技术。1978年,美国政府批准F-117A攻击机研制计划,主要从气动布局、发动机配置和材料选用等方面采取措施,具有很强的隐身能力,其前视雷达反射截面积只有0.01平方米。1989年7月,原型机首飞的美国B-2轰炸机,采用飞翼式外形,将机身、驾驶舱、发动机舱和机翼融合成一体,再加上其他措施,使其雷达反射截面积不超过0.4平方米,如同蓝天中的一只小鸟。

隐身飞机可以有效地提高生存力,但也存在一些弱点。①隐身的特殊要求可能使飞机外形在气动方面不符合最佳设计,会引起气动阻力增大,结构重量增加,从而引起性能下降。②雷达吸波材料本身有局限性,如F-117A的吸波材料主要是针对厘米波的,对米波和毫米波无效。现代研究的超视距雷达、光学雷达、双基地/多基地雷达、谐波雷达和无源雷达,都具有较先进的反隐身能力。③难以设置外挂武器,载弹量少,作战能力单一。④研制生产费用昂贵,维护修理困难。尽管如此,隐身特性已成为第四代战斗机的一个重要特征。

水陆两栖飞机

随着社会经济的迅猛发展,人们对空中交通运输工具提出了更高的要求。发展航空运输的前提是必须有完善的机场设施。但修建一个标准陆上机场需要占地1000万平方米,耗费数万亿美元的资金,在耕地面积日趋减少的情况下,这一要求显得越来越难以满足。

另外,机场必须修建在大城市的远郊。虽然空中飞行速度很快,但从住处到机场的距离所花费的时间有时会比空中飞行的时间还要长,因此,在几百千米的短途飞行中,乘飞机反倒麻烦,还不如乘高速列车方便。

为了改变上述缺点,人们研制了一种水陆两栖飞机,这种飞机既可以在水上起降又可以在陆上机场或简易跑道上起降,因而适用范围非常广泛。对比陆上飞机,这种飞机的主要优越性有以下几方面。

首先,水陆两栖飞机机动性能好,使用方便。这种飞机既可以在海滨城市的海面上起降,又可以在内陆城市的机场或简易跑道上起降,不再依靠陆上固定的航空港。如遇到一些需要紧急救护事件和特殊公务飞行,水陆两栖飞机对机场的选择性范围大,并可快速抵达。

其次,水陆两栖飞机适用于支线客货运输的发展。由于水陆两栖飞机适合水、陆机场起降,不仅能实现有水域地区之间的相互通航,而且能实现有水域地区与无水域地区之间的相互通航。

再次,水陆两栖飞机解决了水上飞机远距离转场飞行难的问题。因为远距离转场时,水陆两栖飞机可利用陆上机场作为临时降落场。

以上特点说明,虽然水陆两栖飞机比同量级的陆上飞机和水上飞机造价高,技术复杂程度大,但与它的使用价值和实用性相比,显得微不足道。

目前,世界上已生产使用的水上飞机和水陆两栖飞机已达360多个品种,2万多架。其中,水陆两栖飞机29个品种,2千多架。这些飞机主要用于军事方面的作战、轰炸、侦察、巡逻、反潜、布雷、运输等,以及民用方面的专线包机旅游客运、空中摄影、公安监控及消防和侦缉、公务飞行、农林作业和森林灭火、体育运动、水域旅游、海上救护等,用途十分广泛。

飞离地球的航天飞机

航天飞机,又称为太空梭或太空穿梭机,是可重复使用的、往返于太空和地面之间的航天器,结合了飞机与航天器的性质。它既能代表运载火箭把人造卫星等航天器送入太空,也能像载人飞船那样在轨道上运行,还能像飞机那样在大气层中滑翔着陆。航天飞机为人类自由进出太空提供了很好的条件,它大大降低了航天活动的费用,是航天史上的一个重要里程碑。作为一种可重复使用的天地往返运输器,航天飞机是现代火箭、飞机、飞船三者结合的产物。它能像火箭一样垂直起飞,像飞船一样绕地球飞行,像飞机一样水平着陆。航天飞机是人类有史以来建造的最复杂的机器,强大的运载能力使其成为独一无二的航天器。正是在航天飞机强大运载能力的支持下,人类才有可能一步步修建国际空间站,为人类登陆月球、奔向火星乃至更广阔的宇宙空间铺平了道路。

航天飞机的组成部分

航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器。它以火箭发动机为动力发射到太空,能在轨道上运行,且可以往返于地球表面和近地轨道之间。它由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成。

1.外部燃料箱

外表为铁锈颜色,主要由前部液氧箱、后部液氢箱以及连接前后两箱的箱间段组成。外部燃料箱负责为航天飞机的3台主发动机提供燃料。外部燃料箱是航天飞机三大模块中唯一不能重复使用的部分,发射后约8.5分钟燃料耗尽,外部燃料箱便坠入到大洋中。

2.一对固体火箭助推器

这对火箭助推器中装有助推燃料,平行安装在外部燃料箱的两侧,为航天飞机垂直起飞和飞出大气层进入轨道提供额外推力。在发射后的前两分钟内,与航天飞机的主发动机一同工作,到达一定高度后,与航天飞机分离,前锥段里降落伞系统启动,使其降落在大西洋上,可回收重复使用。

3.轨道器

即航天飞机本身,它是整个系统的核心部分。轨道器是整个系统中唯一可以载人的、真正在地球轨道上飞行的部件,它很像一架大型的三角翼飞机。它的全长37.24米,起落架放下时高17.27米,三角形后掠机翼的最大翼展23.97米,不带有效载荷时重量68吨,飞行结束后,携带有效载荷着陆的轨道器重量可达87吨。它所经历的飞行过程及其环境比现代飞机要恶劣得多,它既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速和水平着陆的气动外形,又要有承受载入大气层时高温气动加热的防热系统。因此,它是整个航天飞机系统中设计最困难、结构最复杂、遇到问题最多的部分。

航天飞机大显身手

航天飞机一登上宇宙航行的舞台便大显身手。在航天领域扮演着越来越重要的角色,它能执行各种各样的任务。

1.施放卫星

航天飞机可以将载人的和不载人的有效载荷送入地球环形轨道。航天飞机轨道级的货舱可以放置一颗巨型卫星,或者5～8颗小卫星,如资源卫星、导航卫星、气象卫星、通信卫星等。从航天飞机上发放卫星极其简单。飞机飞入预定轨道后,驾驶员将飞机调整到合适高度、姿态,按动按钮,卫星便被弹出货舱,进入轨道。

1981年11月11日,美国“哥伦比亚号”航天飞机进行第一次商业飞行任务,施放两颗通讯卫星:美国的SBS-3和加拿大的安尼克-C。1983年4月20 日,美国的“挑战者号”航天飞机一次施放了三颗卫星。这不仅简化了卫星的发射过程,也大大降低了发射成本,提高了发射精度。

2.回收、检修航天器

如果太空中的卫星上某个部件或某一系统发生故障,将使整个卫星失效,被白白遗弃,造成很大浪费。航天飞机出现后,这一问题便得到解决。

航天飞机可以调整自己的飞行轨道、速度、姿态,与发生故障的卫星交会,用机械手将卫星回收到舱内进行检修,然后再将卫星重新送入轨道,也可以将卫星带回地面修理。

由于航天飞机这一特殊功能,使人造卫星的设计思想发生了变化。原来,是按每次具体任务的要求对每个卫星进行单独设计,研制费用极高。现在提出了“多重任务组件式”的设计思想,这是一种积木式、多层复用的办法。在标准的机架上,有标准化的姿态控制、数据处理、电源、通信等每个卫星必备的共用系统,另外有许多标准接口,根据每次任务的需求接上不同的设备,完成任务后航天飞机将其收回,更换下一回任务所需要的设备,再送入轨道,成为一颗新的卫星。

1980年2月14日,美国发射的太阳能峰年测控器,便是这种新式卫星。这颗价值7700万美元的卫星上天9个月后姿态控制系统便失灵了,飞行高度在慢慢下降,美国便发射了航天飞机去营救这颗卫星。航天飞机先飞近这颗卫星,然后用机械手将它收回机舱,更换损坏部件后,重新将卫星放回轨道,这颗卫星又复活了。

修复哈勃太空望远镜更显示了航天飞机的本领。1997年2月,美国的“发现号”航天飞机的宇航员进行了5次出舱修理工作。航天飞机先飞行到哈勃太空望远镜的下部,然后伸出巨大的机械手抓住它并放在后部的平台上,宇航员走出机舱为它“医治”,给它换上了最先进的设备,为断裂、剥落的地方进行了修补,然后将其送回原来的轨道。这次维修工作用了3.5亿美元的费用,使价值20亿美元的哈勃太空望远镜重新开始了太空观测。

3.空间实验室

以前做一项太空实验必须发射一颗卫星,实验完成后卫星或被遗弃在太空,或坠毁,造成巨大浪费。因此在设计航天飞机时,就有人提议在航天飞机上设计一个空间实验室。这个实验室可以根据不同的太空实验任务携带不同的仪器,适应性、灵活性很强。它和航天飞机一起起飞,一起返回,可以重复使用,只要更换其中的仪器设备,便可以做不同的实验。

空间实验室是和航天飞机连成一个整体的,它不可以在空间单独存在,可以说是航天飞机的一个大配件。实验室工作人员可以在航天飞机的机舱内生活、休息,工作时由专门的通道进入实验室。实验室的电源、通信等都与航天飞机共用。

空间实验室由实验舱和辅助舱组成,它是封闭的,可以根据不同的任务安装不同的设备,内部的工作环境舒适。另外空间实验室还有一个直接暴露在太空的U型工作台,用来进行一些太空空间实验。空间实验室能够满足天体观测、对地观测、医学实验、生物学实验、物理化学实验、空间工业技术等各项科学研究工作的需要。

4.太空交通工具

航天飞机起飞时的超重仅为地面重力的3倍,返回时只有1.5倍,一般健康的人都可以乘坐,甚至妇女、儿童也没有问题。因此,航天飞机不仅可以为空间运送货物,接送往返于太空的各种科技人员,而且可以向地球上的普通人开放,开展太空旅游业。

航天飞机一登上历史舞台,便大显身手。美国制造了“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现者号”、“亚特兰蒂斯号”航天飞机。计划平均每年发射60次。

现在世界上许多国家都正在积极地研制航天飞机,在未来的航天事业中,航天飞机将发挥不可估量的作用。

探索宇宙的星际飞船

人类已经不仅满足于探测地球附近的星球,早已经将目光瞄向了整个星际,肩负这一遥远探测任务的就是那些长途跋涉的星际飞船。

在完成登月任务后,美国和苏联又分别向水星、金星和火星发射过各种探测器。其中,美国的“水手”10号宇宙探测器3次飞过水星,发回了6000张水星照片。“先驱者”1号、“先驱者”2号和苏联的“金星”11号、“金星”12号等探测器都曾飞近金星进行探测,并在金星上软着陆成功,取得了宝贵的成果。

为了探测火星上究竟有没有生命,美国和苏联还发射了“海盗”号、“探测器号”和“水手号”等探测器。其中最成功的是“海盗”1号和“海盗”2号,它们先后于1976年7月和9月在火星上着陆,进行了生命考察试验和拍照等活动。

在人类所发射的这些星际飞船中,最值得一提的是美国在1977年8月20日发射的“旅行者”2号。它重约825千克,由6万多个零件组成,安装有电视摄像机等十多种仪器。这个集现代科技成果之大成的宇宙探测器,自从发射上天后,孤身遨游,闯荡了多半个太阳系,取得了惊人的探测成果。

它的第一站是考察木星,在那里发现了木星的3颗新卫星;第二站是探测土星,从它发回的高分辨率彩色照片中,科学家发现了6颗新的土星卫星;第三站是访问天王星,发现这颗远离太阳的星球上竟然有闪电现象,并有强大而混乱的无线电信号;第四站是观察海王星,在那里发现包围着海王星的一个大磁场和星上一条4300千米宽的黑色风云带。告别海王星后,“旅行者”2号继续向太阳系边缘飞去,直至飞出太阳系,奔向宇宙深处。

为了能在其他星球上发现高级智慧生物,“旅行者”2号还携带着人类献给外星人的礼物——“地球之音”唱片。在这张可以储存10亿年、直径30.5厘米的铜质唱片上,录制了表现人类起源和文明发展的115张图片,其中有我国的万里长城和中国人用餐的两张画面。它还录下了35种地球自然界的风雨雷电、鸟鸣兽叫、人笑婴啼等声音,以及地球上不同时代、不同地区、不同民族的歌曲27首,还有人类用55种语言向外星人发出的问候语。

“旅行者”2号在宇宙探测中取得的巨大成果,在人类探测宇宙的历史上留下极为光辉的一页。