飞机飞行的基本原理是什么，主要涉及哪些学科

Question

如题所述

Answer 1

　　一、飞行原理

　　飞机在空气中运动时，是靠机翼产生升力使飞机离陆升空的。机翼升力是怎样产生的呢？这首先得从气流的基本原理谈起。在日常生活中，有风的时候，我们会感到有空气流过身体，特别凉爽；无风的时候，骑在自行车上也会有同样的体会，这就是相对气流的作用结果。滔滔江水，流经河道窄的地方时，水流速度就快；经过河道宽的地方时，水流变缓，流速较慢。空气也是一样，当它流过一根粗细不等的管子时，由于空气在管子里是连续不断地稳定流动，在空气密度不变的情况下，单位时间内从管道粗的一端流进多少，从细的一端就要流出多少。因此空气通过管道细的地方时，必须加速流动，才能保证流量相同。由此我们得出了流动空气的特性：流管细流速快；流管粗流速慢。这就是气流连续性原理。
　　实践证明，空气流动的速度变化后，还会引起压力变化。当流体稳定流过一个管道时，流速快的地方压力小。流速慢的地方压力大。
　　飞机在向前运动时，空气流到机翼前缘，分为上下两股，流过机翼上表现的流线，受到凸起的影响，使流线收敛变密，流管（把两条临近的流线看成管子的管壁）变细；而流过下表面的流线也受凸起的影响，但下表面的凸起程度明显小于上表面，所以，相对于上表面来说流线较疏松，流管较粗。由于机翼上表面流管变细，流速加快，压力较小，而下表面流管粗，流速慢，压力较大。这样在机翼上、下表面出现了压力差。这个作用在机翼各切面上的压力差的总和便是机翼的升力（见图）。其方向与相对气流方向垂直；其大小主要受飞行速度、迎角（翼弦与相对气流方向之间的夹角）、空气密度、机翼切面形状和机翼面积等因素的影响。当然，飞机的机身、水平尾翼等部位也能产生部分升力，但机翼升力是飞机升空的主要升力源。飞机之所以能起飞落地，主要是通过改变其升力的大小而实现的。这就是飞机能离陆升空并在空中飞行的奥秘。

　　二、飞机的主要组成部队及其功用

　　自从世界上出现飞机以来，飞机的结构形式虽然在不断改进，飞机类型不断增多，但到目前为止，除了极少数特殊形式的飞机之外，大多数飞机都是由下面六个主要部分组成，即：机翼、机身、尾翼、起落装置、操纵系统和动力装置。它们各有其独特的功用。

　　（一）机身

　　机身主要用来装载人员、货物、燃油、武器和机载设备，并通过它将机翼、尾翼、起落架等部件连成一个整体。在轻型飞机和歼击机、强击机上，还常将发动机装在机身内。

　　（二）机翼

　　机翼是飞机上用来产生升力的主要部件，一般分为左右两个翼面。
　　机翼通常有平直翼、后掠翼、三角翼等。机翼前后缘都保持基本平直的称平直翼，机翼前缘和后缘都向后掠称后掠翼，机翼平面形状成三角形的称三角翼，前一种适用于低速飞机，后两种适用于高速飞机。近来先进飞机还采用了边条机翼、前掠机翼等平面形状。
　　左右机翼后缘各设一个副翼，飞行员利用副翼进行滚转操纵。即飞行员向左压杆时，左机翼上的副翼向上偏转，左机翼升力下降；右机翼上的副翼下偏，右机翼升力增加，在两个机翼升力差作用下飞机向左滚转。为了降低起飞离地速度和着陆接地速度，缩短起飞和着陆滑跑距离，左右机翼后缘还装有襟翼。襟翼平时处于收上位置，起飞着陆时放下。
　　飞机的机翼的变化
　　在飞机诞生之初，机翼的形状千奇百怪，有的像鸟的翅膀，有的像蝙蝠的黑翼，有的像昆虫的翅膀；有的是单机翼，有的是双机翼。到第二次世界大战时，虽然绝大多数飞机"统一）到单机翼上来，但单机翼的位置又有上单机翼、中单机翼和下单机翼之分，其形状有平直机翼、后掠机翼、三角机翼、梯形机翼、变后掠角机翼和前掠角机翼之别。

　　（三）尾翼

　　尾翼分垂直尾翼和水平尾翼两部分。
　　1．垂直尾翼
　　垂直尾翼垂直安装在机身尾部，主要功能为保持飞机的方向平衡和操纵。
　　通常垂直尾翼后缘设有方向舵。飞行员利用方向舵进行方向操纵。当飞行员右蹬舵时，方向舵右偏，相对气流吹在垂尾上，使垂尾产生一个向左的侧力，此侧力相对于飞机重心产生一个使飞机机头右偏的力矩，从而使机头右偏。同样，蹬左舵时，方向舵左偏，机头左偏。某些高速飞机，没有独立的方向舵，整个垂尾跟着脚蹬操纵而偏转，称为全动垂尾。
　　2．水平尾翼
　　水平尾翼水平安装在机身尾部，主要功能为保持俯仰平衡和俯仰操纵。低速飞机水平尾翼前段为水平安定面，是不可操纵的，其后缘设有升降舵，飞行员利用升降舵进行俯仰操纵。即飞行员拉杆时，升降舵上偏，相对气流吹向水平尾翼时，水平尾翼产生附加的负升力（向下的升力），此力对飞机重心产生一个使机头上仰的力矩，从而使飞机抬头。同样飞行员推杆时升降舵下偏，飞机低头。
　　超音速飞机采用全动平尾，即将水平安定面与升降舵合为一体。飞行员推拉杆时整个水平尾翼都随之偏转。飞行员用全动平尾来进行俯仰操纵。其操纵原理与升降舵相同。
　　某些高速飞机为了提高滚转性能，在左、右压杆时，左、右平尾反向偏转，以产生附加的滚转力矩，这种平尾称为差动平尾。
　　有些飞机的水平尾翼放在机翼前边，这种飞机叫鸭式飞机。这时放在机翼前面的水平尾翼称为鸭翼或前翼。也有一部分飞机没有水平尾翼，这种飞机称为无尾飞机。
　　现在有些飞机还采用了三翼面的布局方法，也就是说既有机翼前面的前翼，也有机翼后面的水平尾翼。

　　（四）起落装置

　　起落装置的功用是使飞机在地面或水面进行起飞、着陆、滑行和停放。着陆时还通过起落装置吸收撞击能量，改善着陆性能。
　　早期陆上飞机起落装置比较简单，只有三个起落架，而且在空中不能收起，飞行阻力大。现代的陆上飞机起落装置包含起落架和改善起落性能的装置两部分，且起落架在起飞后即可收起，以减少飞行阻力。改善起落性能的装置主要有起飞加速器、机轮刹车、减速伞等。
　　水上飞机的起落架由浮筒代替机轮。

　　（五）操纵系统（飞行控制系统）

　　飞机操纵系统是指从座舱中飞行员驾驶杆（盘）到水平尾翼、副翼、方向舵等操纵面，用来传递飞行员操纵指令，改变飞行状态的整个系统。早期的操纵系统是由拉杆、摇臂（或钢索）组成的纯机械操纵系统。现代飞机在操纵系统中采用了很多自动控制装置，因而，通常把它称为飞行控制系统。

　　（六）动力装置

　　飞机动力装置是用来产生拉力（螺旋桨飞机）或推力（喷气式飞机），使飞机前进的装置。采用推力矢量的动力装置，还可用来进行机动飞行。现代的军用飞机多数为喷气式飞机。
　　喷气式飞机的动力装置主要分为涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机两类。

　　三、飞机的操纵方式

　　千变万化的飞行动作都是在飞行员以杆、舵、油门为主的操纵下完成的。主要有俯仰操纵、横侧操纵和方向操纵。

　　（一）俯仰转动

　　俯仰转动是通过飞行员前推或后拉驾驶杆，从而使升降舵面上偏或下偏来实现的。如飞行员向后拉杆时，升降舵上偏，相对气流作用在升降舵面上，使整个水平尾翼产生一个向下的附加力，对飞机重心构成一个使机头上仰的操纵力矩，在这个力矩的作用下，飞机绕横轴做上仰运动。
　　当飞行员向前推杆时，升降舵向下偏转，相对气流作用在升降面上，在水平尾翼上产生一个向上的附加力，对飞机重心构成了使机头下俯的操纵力矩，飞机便绕横轴做下俯运动。

　　（二）横侧转动

　　横侧转动是通过飞行员在左右压杆，使左右机翼上的副翼发生偏转来实现的。如飞行员向左压杆，左副翼上偏，右副翼下偏。相对气流作用在左右副翼上，使左机翼产生向下的附加力，右机翼产生向上的附加力，对飞机重心构成左滚力矩，飞机便绕纵轴向左滚转。相反，如果飞行员向右压杆，飞机右副翼上偏，左副翼下偏，对飞机重心构成右滚力矩，飞机便向右滚转。

　　（三）方向偏转

　　方向偏转是通过飞行员左、右蹬舵，使垂直尾翼上的方向舵左、右偏转来实现的。如飞行员蹬左舵，方向舵左偏，相对气流作用在方向舵面上，使垂直尾翼上产生一个向右的侧力，对飞机重心构成了一个使机头左偏的方向操纵力矩，飞机向左发生偏转同样，飞行员蹬右舵，机头就会向右偏转。
　　当然，飞行员在做飞行动作时，不仅在于进行某种单一的操纵，而是几种操纵同时进行的。如做特技飞行中的急上升转弯（战斗转弯）的动作时，飞行员不但要加油门向后拉杆，增加仰角，还要压杆增大坡度，同时还要蹬舵消除内侧滑，使飞机绕三轴同时转动。可见，飞行远远不象我们看到的"自由翱翔"那么简单，飞机所呈现出的各种简单与复杂的飞行状态，都出自飞行员灵巧的双手和双脚。

　　四、飞行的基本状态和复杂的特技动作

　　（一）基本状态

　　1．平飞：是最基本的飞行动作，通常是指飞机在等高、等速的条件下做水平直线飞行。这时，飞机的升力（Y）与重力（G）平衡，拉力（P）与阻力（X）平衡，即：Y=G、P=X。当然，还有加速平飞和减速平飞，所不同的是：加速平飞时P＞X，而减速平飞时P＜X。
　　2．上升：飞机沿一条倾斜向上的轨迹所做的飞行（爬高）。上升轨迹与水平面的夹角称上升角。上升分等速和变速上升。
　　3．下滑：飞机沿向下的倾斜轨迹所做的飞行称下滑。下滑轨迹与水平面之间的夹角，叫下滑角。下滑分加速下滑（迅速下降高度）、减速下滑（着陆阶段）和等速下滑。
　　4．侧滑：飞机对称面与相对气流方向不一致的飞行称侧滑。飞行中，飞行员只蹬舵，不压杆，或只压杆不蹬舵，都会使飞机产生侧滑。相对气流与飞机对称面之间的夹角叫侧滑角。
　　这是几种最基本的飞行状态，飞行学员在最初的"起落航线"阶段就会遇到。

　　（二）起落航线飞行

　　所谓起落航线飞行，就是在机场上空周围按规定的高度、速度和预定的转弯点组成五边（或四边）航线进行起飞着陆的飞行。要求飞行员在有限的时间内，完成观察座舱内外的各种信息变化，并及时操纵以保持正确数据；目测判断和修正飞机的状态、飞行高度、速度及前后机距离；完成收放起落架和襟翼动作等。分起飞上升、航线建立和下滑目测着陆等阶段。
　　1．起飞：是指飞机从开始滑跑到离陆并上升到一定的高度（通常为25米）和达到一定速度的过程。正常起飞分三点滑跑、两点滑跑、离陆、小角度上升和上升5个阶段（图1-27）。高速飞机由于发动机功率大，离陆后可不经过小角度上升而直接进入上升阶段。
　　2．着陆：是指飞机从一定的高度下滑并降落于跑道，直到停止滑跑，脱离跑道（滑出跑道）的过程。通常分为下滑、拉开始、拉平、平飘、接地和着陆滑跑6个阶段。一般飞机的着陆速度比起飞离陆速度大，为了缩短着陆滑跑矩离，高速飞机落地时除了使用刹车减速装置外，还使用着陆减速伞，作用在于缩短滑跑距离。

　　（三）特技飞行

　　飞行员操纵飞机按一定的动作形式和轨迹做高度、速度、方向和状态不断变化的飞行叫特技飞行。它是歼击机飞行员的必修课目。是充分发挥飞机性能，利用各种飞行动作进行空中机动以有效地攻击敌方并避开敌方攻击的重要手段。
　　特技有简单特技、复杂特技和高级特技之分。简单特技主要动作有：盘旋、俯冲、横滚、跃升、急上升转弯等。复杂特技有：最大允许坡度盘旋（大坡度盘旋）、半滚倒转、斤斗、半斤斗翻转、斜斤斗等（图1-30）。高级特技有：上下横"8"字、竖"8"字、草花形斤斗、双上升转弯、上升横滚、跃升盘旋、翻转横滚、多次上升横滚和多次下滑横滚等。

　　（四）超机动能力

　　超机动能力是从1989年苏-27战斗机表演了"眼镜蛇"机动动作后开始出现的飞行新概念，这是一个全新的、非常规的机动动作。"眼镜蛇"机动简单的说是一个低速、大迎角机动，飞机能够在2.5秒之内使俯仰角变化90度到100度。而且在整套动作中飞机没有任何失控趋势的动作。"眼镜蛇"机动说明，苏-27已具有很好的上仰操纵能力，动、静态横侧稳定性和操纵性，以及良好的下俯控制能力。由于苏-27的良好飞行性能，使它成为公认的第三代超音速战斗机的优秀代表，与美国的F-16和F-15并驾齐驱。
　　继苏-27之后，苏霍伊飞机设计局又推出苏-37战斗机。苏-37是在苏-27M战斗机基础上发展的型号,其外形与苏-27很相似。该机不仅能够作"眼镜蛇"机动，而且还可以在"眼镜蛇"机动动作后接一个360度的滚转、尾冲，在垂直平面内作360度转向的圆形机动，高速盘旋时可以大角度攻击目标，甚至可以在大迎角情况下以接近零速的状态下飞行。因此，苏-37被称为当今超机动性或超高机动性战斗机。
　　苏-37为什么有这么好的机动特性，主要是因为它装备了一种功能独特的动力装置，即两台AL-37FU涡轮风扇发动机。这种发动机不但推重比大，可为战斗机提供强劲的飞行动力，而且采用了先进的转向喷口设计，使飞机具有推力矢量控制能力，可实现超常的高难度机动飞行。超机动能力是对战斗机机动性能提出的新的更高的要求，但是有些非常规机动的实用价值如何，目前还较大争议。

Answer 2

从侧面仔细观察机翼的形状，会发现机翼的横截面不是那么简单：有点像被拉长了的水滴形，但是上边的弧线比下边的长。

这时候如果有风吹来，会从机翼的上面和下面分别流过。风通过机翼上下表面的时间是一样的，但因为上面的弧线长，所以流过机翼上表面的风速度就快，流过下表面的速度就慢。根据流体力学原理，机翼的上表面所受的空气压力就小，下表面所受的空气压力就大。受压力差的影响，机翼就会向上浮动，飞机就升起来了。

直升机的旋翼是同样的道理，每一根旋转起来就会产生升力。

飞行的基本原理主要涉及到物理学的流体力学。

Answer 3

飞机飞行的最基本的原理就是速度加上机翼的角度在空气中产生的负压！就是产生飞机重量的反作用力！

Answer 4

飞机的升力和阻力
飞机是重于空气的飞行器，当飞机飞行在空中，就会产生作用于飞机的空气动力，飞机就是靠空气动力升空飞行的。在了解飞机升力和阻力的产生之前，我们还要认识空气流动的特性，即空气流动的基本规律。流动的空气就是气流，一种流体，这里我们要引用两个流体定理：连续性定理和伯努利定理：
流体的连续性定理：当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管道时，由于管道中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来，因此在同一时间内，流进任一切面的流体的质量和从另一切面流出的流体质量是相等的。
连续性定理阐述了流体在流动中流速和管道切面之间的关系。流体在流动中，不仅流速和管道切面相互联系，而且流速和压力之间也相互联系。伯努利定理就是要阐述流体流动在流动中流速和压力之间的关系。
伯努利定理基本内容：流体在一个管道中流动时，流速大的地方压力小，流速小的地方压力大。
飞机的升力绝大部分是由机翼产生，尾翼通常产生负升力，飞机其他部分产生的升力很小，一般不考虑。从上图我们可以看到：空气流到机翼前缘，分成上、下两股气流，分别沿机翼上、下表面流过，在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出，流管较细，说明流速加快，压力降低。而机翼下表面，气流受阻挡作用，流管变粗，流速减慢，压力增大。这里我们就引用到了上述两个定理。于是机翼上、下表面出现了压力差，垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样重于空气的飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力，从而翱翔在蓝天上了。
机翼升力的产生主要靠上表面吸力的作用，而不是靠下表面正压力的作用，一般机翼上表面形成的吸力占总升力的60-80%左右，下表面的正压形成的升力只占总升力的20-40%左右。
飞机飞行在空气中会有各种阻力，阻力是与飞机运动方向相反的空气动力，它阻碍飞机的前进，这里我们也需要对它有所了解。按阻力产生的原因可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力。
1.摩擦阻力——空气的物理特性之一就是粘性。当空气流过飞机表面时，由于粘性，空气同飞机表面发生摩擦，产生一个阻止飞机前进的力，这个力就是摩擦阻力。摩擦阻力的大小，决定于空气的粘性，飞机的表面状况，以及同空气相接触的飞机表面积。空气粘性越大、飞机表面越粗糙、飞机表面积越大，摩擦阻力就越大。
2.压差阻力——人在逆风中行走，会感到阻力的作用，这就是一种压差阻力。这种由前后压力差形成的阻力叫压差阻力。飞机的机身、尾翼等部件都会产生压差阻力。
3.诱导阻力——升力产生的同时还对飞机附加了一种阻力。这种因产生升力而诱导出来的阻力称为诱导阻力，是飞机为产生升力而付出的一种“代价”。其产生的过程较复杂这里就不在详诉。
4.干扰阻力——它是飞机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外阻力。这种阻力容易产生在机身和机翼、机身和尾翼、机翼和发动机短舱、机翼和副油箱之间。
以上四种阻力是对低速飞机而言，至于高速飞机，除了也有这些阻力外，还会产生波阻等其他阻力