书城科普飞向蓝天的历程(趣味科学馆丛书)
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第7章 飞机全解析(2)

20世纪70年代,电子计算机进入飞机,飞机有了自己的电子“大脑”。首先使用了3个电子计算机(飞行控制计算机)分别控制飞机3个轴的飞行状态。此时的飞机不仅能被控制平飞,而且可以控制转弯和升降。考虑到飞机在做转弯和升降运动时,它的推力必须相应地发生变化,为了要顺利地完成这些过程,就有必要同时控制发动机的推力。于是第二步又在飞机上加装了管理推力的推力控制计算机。飞机由于有了自行控制飞行姿态和推力的能力,初步实现了自动任意飞行。但它也只限于保持在已设定的路线上的飞行。它还没能与机上的仪表系统全面联系起来,对外界的变化及时做出反应。为了使飞机真正实现自动控制飞行的全过程,也就是能“独立自主”地飞行,这就需要统一管理上述两套系统(姿态和推力)并且与其他仪表系统实行大联合。所以第三步是在飞机上又装上一台能力更强的计算机,全面管理和协调飞行。这台统管全局的计算机叫飞行管理计算机。它是飞机的核心中枢。在这个中枢的数据库内存储着各个机场及各条航路的数据。驾驶员只要选定航路的起点和终点,将命令输入这台计算机内,它就可以代替驾驶员指挥飞机起飞、爬升、巡航和下降直到降落在目的地机场。这套系统还可以在飞行全过程中即时发出指令,使飞机按照最佳的飞行状态、最合理的使用推力、最经济的油耗飞完全程,从而实现了全程自动化飞行。听起来,由这套计算机系统控制的飞机飞得比由驾驶员控制飞得还好,那么,是不是以后飞机飞行就不需要驾驶员了?答案是:不行。原因之一是飞机的航行线路要由驾驶员设定并输入到计算机中去;原因之二是飞机在起飞和降落这两个阶段中,变化因素太多,计算机只能按预先编好的程序动作,不具备灵活反应的能力;原因之三是即使飞机在巡航状态时,驾驶员可以不做任何动作去控制飞机,但他必须监视这个机器“大脑”的工作。万一这台“大脑”出现什么故障或反应不够及时,驾驶员要立刻接管驾驶飞机的任务,这样才能保证飞行安全。知识点马赫数Machnumber,用于亚音速、超音速或可压流动计算,以航天航空领域最为常用。常写作Mach数,它是高速流的一个相似参数。我们平时所说的飞机的Mach数是指飞机的飞行速度与当地大气(即一定的高度、温度和大气密度)中的音速之比。比如Ma1.6表示飞机的速度为当地音速的1.6倍。

马赫数以奥地利物理学家马赫(1836-1916)命名,简称M数,表示为:M=V/a,M数是衡量空气压缩性的最重要的参数。定义为物体速度与音速的比值,即音速的倍数。其中又有细分多种马赫数,如飞行器在空中飞行使用的飞行马赫数、气流速度的气流马赫数、复杂流场中某点流速的局部马赫数等等。飞机的结构大多数飞机由5个主要部分组成:机翼、机身、发动机、操纵系统和起落装置。

机翼:机翼的主要功用是为飞机提供升力,以支持飞机在空中飞行,也起一定的稳定和操纵作用。在机翼上一般安装有副翼和襟翼。操纵副翼可使飞机滚转;放下襟翼能使机翼升力系数增大。另外,机翼上还可安装发动机、起落架和油箱等。机翼有各种形状,数目也有不同。在航空技术不发达的早期为了提供更大的升力,飞机以双翼机甚至多翼机为主,但现代飞机一般是单翼机。

尾翼:尾翼也是机翼,但主要是用来平衡飞行姿态、对飞机进行操纵,比如起飞、降落、在空中转弯。包括水平尾翼(平尾)和垂直尾翼(垂尾)。水平尾翼由固定的水平安定面和可转动的升降舵组成(某些型号的民用机和军用机整个平尾都是可动的控制面,没有专门的升降舵)。垂直尾翼则包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。

机身:机身的主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备;还可将飞机的其他部件如尾翼、机翼及发动机等连接成一个整体。如果将机身和机翼连接为一个整体,这种飞机叫飞翼。

发动机:有的叫引擎,用来产生拉力或推力,使飞机前进。其次还可以为飞机上的用电设备提供电力,为空调设备等用气设备提供气源。发动机好比人的心脏,现代飞机的动力装置主要包括涡轮发动机和活塞发动机两种。应用较广泛的动力装置有四种:航空活塞式发动机加螺旋桨推进器;涡轮喷射发动机;涡轮螺旋桨发动机;涡轮风扇发动机。随着航空技术的发展,火箭发动机、冲压发动机等,也逐渐被采用。

起落装置:起落装置又称起落架,是用来支撑飞机并使它能在地面和其他水平面起落和停放。陆上飞机的起落装置,一般由减震支柱和机轮组成,此外还有专供水上飞机起降的带有浮筒装置的起落架和雪地起飞用的滑橇式起落架。它是用于起飞与着陆滑跑、地面滑行和停放时支撑飞机。

操纵系统:包括各种显示飞机飞行姿态的仪表,用于控制飞机发动机功率,操纵飞机起飞、降落和转弯,军用飞机还要做各种战术动作,比如最早由苏—27战斗机做的“眼镜蛇”机动等等。由于飞机在高空、高速飞行时受到的作用力非常大,现代飞机通常都采用液压、电传操纵系统来协助飞行员。

现代飞机驾驶舱内可供驾驶员使用的飞行操纵装置通常包括:

主操纵装置:驾驶杆或驾驶盘和方向舵脚蹬。在某些采用电传操纵系统的飞机上,驾驶杆或驾驶盘已经被简化成位于驾驶员侧方的操纵杆。

辅助操纵装置:襟翼手柄、配平按钮、减速板手柄。

随着电子技术的发展,飞行操纵装置的形式也发生了根本性的变化。在大型飞机中,传统的机械式操纵系统已逐渐地被更为先进的电传操纵系统所取代,计算机系统的全面使用,使得飞行操纵系统发生了根本性变化,驾驶员的操作已不再像是直接操纵飞机动作,而更像是给飞机下达运动指令。由于某些采用电传操纵系统的飞机取消了原有的驾驶杆或驾驶盘等装置而改为侧杆操纵,驾驶舱的空间显得比以往更加宽松,所以有些驾驶员称此类驾驶舱为“飞行办公室”。

神秘的黑匣子

黑匣子现在,很少有人不知道飞机“黑匣子”的大名。一架飞机失事后,人们在全力救援失事飞机的机上人员时,还要千方百计地去寻找飞机上的“黑匣子”。因为黑匣子是判断飞行事故原因最重要及最直接的证据。虽然叫黑匣子,其实它的颜色却不是黑的,而是醒目的橙色,“黑匣子”只不过是大家约定俗成的一个俗名而已。“黑匣子”的正式名字是“飞行信息记录系统”。在电子技术中,把只注重其输入和输出的信号而不关注其内部情况的仪器统统称为黑匣子。飞行信息记录系统是一种典型的黑匣子式的仪器。为了方便,业内人士都叫它黑匣子,传到社会上,公众也只知道飞机上有个黑匣子。

飞行信息记录系统包括两套仪器:一个是驾驶舱话音记录器,实际上就是一个磁带录音机。从飞行开始后,它就不停地把驾驶舱内的各种声音,例如谈话、发报及其他各种声音响动全部录下来。但它只能保留停止录音前30分钟内的声音。第二部分是飞行数据记录器,它把飞机上的各种数据即时记录在磁带上。早期的记录器只能记录20多种数据,现在记录的数据已可达到60种以上。其中有16种是重要的必录数据,如飞机的加速度、姿态、推力、油量、操纵面的位置等等。记录的时间范围是最近的25小时。25小时以前的记录就自动被抹掉。

有了这两个记录器,平时在一段飞行过后,有关人员把记录回放,用以重现已被发现的失误或故障。维修人员利用它可以比较容易地找到故障发生的位置;飞行人员可以用它来检查飞机飞行性能和操作上的不足之处,以改进飞行技术。一旦飞机失事,这个记录系统就成为最直接的事故分析依据。为了保证记录的真实性和客观性,驾驶员只能查阅记录的内容而不能控制记录器的工作或改动记录内容。为了确保记录器即使在飞机失事后也能保存下来,就必须把它放在飞机上最安全的部位。根据统计资料知道飞机尾翼下方的机尾是飞机上最安全的地方,于是就把这个“黑匣子”安装在此处。黑匣子被放进一个(或两个)特殊钢材制造的耐热抗震的容器中,此容器为球形或长方形,它能承受自身重力1000倍的冲击、经受11000℃的高温30分钟而不被破坏,在海水中浸泡30天而不进水。为了便于寻找它的踪影,国际民航组织规定此容器要漆成醒目的橘红色而不是黑色或其他颜色。在它的内部装有自动信号发生器,能发射无线电信号,以便于空中搜索;还装有超声波水下定位信标,当黑匣子落入水中后可以自动连续30天发出超声波信号。有了以上这些技术措施的保障,不管是经过猛烈撞击的、烈火焚烧过的、掉入深海中的黑匣子,在飞机失事之后,绝大多数都能被寻找到。根据它的记录,航空事故分析业务进展了一大步。在保障飞行安全,改进飞机设计直至促进航空技术进步各方面,黑匣子都是功不可没的。

飞机的优势与局限

和其他交通运输工具相比,飞机有很多优点:

速度快。目前喷气式客机的时速在900千米左右。从北京起飞到杭州,也不过2个小时左右就到了。而军用飞机的速度就更快了,美国著名的战略侦察机SR—71“黑鸟”,据说达到了双三:速度可以超过3000千米/小时、高度可以达到3万米。

机动性高。飞机飞行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔,而且可根据客、货源数量随时增加班次。2008年5月12日,四川汶川发生大地震时,正是飞机在第一时间为灾区及时运送了抢险、医疗救护、救灾工具和灾区急需的食品、饮用水。

安全舒适。据国际民航组织统计,民航平均每亿客千米的死亡人数为0.04人,是普通交通方式事故死亡人数的几十分之一到几百分之一,和铁路运输并列为最安全的交通运输方式。

但是飞机作为交通工具也有自身的局限性:

价格昂贵。无论是购买飞机本身,还是飞行所消耗的油料以及对飞机进行保养维护,其成本相对其他交通运输方式都高昂得多。

容易受天气情况影响。虽然现在航空技术已经能适应绝大多数气象条件,但是比较严重的风、雨、雪、雾等气象条件仍然会影响飞机的起降安全,也是导致航班调整甚至取消的主要原因。所以,天气如何成为经常乘坐飞机旅行的人最关心的事情。

起降场地有限制。飞机必须在飞机场起降,一个城市最多不过几个飞机场,而且机场受周围净空条件的限制,多分布在郊区。由于从飞机场到市区往往需要一次较长的中转过程,这也是大家感到不方便却无可奈何的事情。对于军用飞机,机场更是最大的弱点,因此,一方面在海上出现了航空母舰这样的浮动机场,另一方面也是刺激人们研究发展不需要机场的飞机的原因。

飞机之最

最大航速

航速是飞机最重要的性能之一。下面是历史上的一些最大航速纪录:

1910年106千米/小时,法国,BleriotXI;

1913年204千米/小时,法国,Deperdussin;

1923年417千米/小时,美国,CurtissR2C-1;

1934年709千米/小时,意大利,MacchiMC.72(水上飞机,此项纪录保持至今);1939年755千米/小时,德国,梅塞施米特Me209V1;1941年1004千米/小时,德国,梅塞施米特Me163(火箭式歼击机);1947年1127千米/小时,美国,BellX-1;1951年2028千米/小时,美国,道格拉斯Skyrocket;1956年3058千米/小时,美国,Bell52X-2(火箭式);1961年5798千米/小时,美国,北美航空,X-15(火箭式飞机);1965年3750千米/小时,美国,洛克希德SR-71黑鸟(喷气式飞机);1966年7214千米/小时,美国,北美航空X-15(火箭式飞机);2004年7700千米/小时,美国,波音X-43A(无人驾驶,喷气式飞机);大航程2004年的6月28日,新加坡航空公司重新开通了新加坡与美国纽约纽华克机场之间的每日不停站直航航班,航班号SQ21/SQ22,超过了之前新加坡至洛杉矶的航线,成为全球最长不停站商业飞行的航线。新航以空中客车A340-500客机飞行该航线,整个航程达到了16600千米,飞行需时18小时。

载重及载客能力

目前载重能力最好的是前苏联安托诺夫设计局所制造的An-225梦想式运输机,离陆重量超过600吨,载重量可达300吨。

目前载客人数最多的是空中客车A380客机,采用最高密度座位时可载850人。

20世纪20年代飞机开始载运乘客,第二次世界大战结束后,美国为解决积压的飞机,开始把大量的运输机改装成为客机。60年代以来,世界上出现了一些大型运输机和超音速运输机,逐渐推广使用涡轮风扇发动机。比较著名的有苏联生产的安-22、伊尔-76;美国生产的C-141、C-5A、波音-747;法国的空中客车等。超音速运输机有英法联合研制的“协和”式和苏联的Tu-144。然而,超音速客机的发展并不乐观。“协和”式飞机售价过高,经济效益一直不好,因而已于80年代停止生产。苏联的Tu-144因为同样的原因也在80年代停航。知识点机翼飞机上用来产生升力的主要部件。一般分为左右两个翼面,对称地布置在机身两边。机翼的一些部位(主要是前缘和后缘)可以活动。驾驶员操纵这些部分可以改变机翼的形状,控制机翼升力或阻力的分布,以达到增加升力或改变飞机姿态的目的。机翼上常用的活动翼面有各种前后缘增升装置、副翼、扰流片、减速板以及升降副翼等。机翼内部经常用来放置燃油。在机翼厚度允许的情况下,飞机主起落架也经常是全部或部分地收在机翼内。此外,许多飞机的发动机或是直接固定在机翼上,或是吊挂在机翼下面。