探討物理學在大飛機中的應用

趙英珊

(北京市西城外國語學校,北京 100037)

大飛機一般泛指天上所有的大型飛機。在航空工業中,大飛機是指起飛總重超過100噸的運輸機,包括一次航程超過3000公里的軍用運輸機和150座以上的民用客機。目前,民用大飛機市場主要被美國的波音公司和歐洲的空中客車公司所壟斷。國產大飛機C 919的成功試飛,將改變目前民用客機的市場格局,使得我國成為繼美國、歐盟、俄羅斯等少數國家之后,擁有獨立生產制造大飛機能力的國家。大飛機的系統非常復雜,而且對于每個零件的安全性能要求極為嚴苛,因此大飛機的研發工程需要投入大量專業人才攻關才有可能完成。物理學作為航空工業的基礎性學科,在大飛機的研發與制造環節起了關鍵性的作用。下面,我們就從物理學的各個分支學科出發,探討物理學在大飛機中的一些應用。

1 力學在大飛機中的應用

力學是物理學中最古老的一個分支。很多傳統工業的發展,包括機械、土木工程等都是建立在力學理論基礎之上的。隨著現代航空工業的起步,力學知識在大飛機的研發、設計、制造等環節擁有著舉足輕重的地位。下面我們介紹三個例子來對此做具體說明。

1.1 大飛機與空氣動力學

要想讓大飛機這樣的龐然大物順利起飛,并且以超過900km/h的速度高速飛行,首先要研究的問題就是如何提高飛機的升力并減小飛機與空氣的相對阻力。根據流體運動的伯努利原理,對于同一流線上的兩點(忽略高度的差異),滿足關系式,其中P是流體的壓強,ρ是流體的密度,而v是流體的流速。由于機翼的形狀是不對稱的,飛機在飛行時機翼的尾部會形成一個空氣渦流,同時在機翼周圍會形成一個順時針運動的空氣環流。這樣,機翼上方的空氣流速就會高于下方,機翼下方空氣的壓強反而就會高于上方。這樣整體有一個向上的合力會托起飛機,這就是飛機的升力。利用空氣動力學的相關知識,人們可以通過風洞試驗,設計大飛機的外形來減小它對于空氣的阻力,并提高它的升力,使得大飛機達到理想的航行能力要求。

1.2 大飛機與結構力學

大飛機在起飛和降落的過程中,需要完成各種復雜的動作。大飛機在平流層飛行時,偶爾還會遇到一些湍流,造成機身顛簸。因此,如何設計機身與機翼的結構,提高大飛機在復雜環境下的穩定性、舒適性,成為結構力學的研究課題。通過對飛機結構做各種力學試驗與分析,人們已經找到了最佳的大飛機結構設計,使其能夠面對各種復雜環境的挑戰。

1.3 大飛機與斷裂力學

大飛機的使用壽命一般在20-30年左右。在長期使用的過程中,大飛機的結構和表面金屬會出現一些疲勞、損傷、甚至斷裂。如果沒有很好的評估這些疲勞損傷對于大飛機的影響,就很容易出現嚴重的事故。因此,在大飛機的使用過程中,每隔一段時間,就應該對飛機的疲勞損傷情況做一些檢查與評估,必要的時候還需要做一些修復,保證飛機狀態良好。這就需要一門學科系統地分析大飛機結構與材料中的微小裂紋對于其安全性能的影響,斷裂力學的出現就能很好地處理這類問題,保障大飛機的航行安全。

2 電磁學在大飛機中的應用

大飛機在飛行過程中,既要時刻與機組成員和地面系統保持聯系,也要保證航行線路的準確,這就需要現代電子技術來完成這些功能,而這其中的核心元素就是電磁波。下面就大飛機的通信與導航系統為例來說明電磁學對于大飛機的重要性。

2.1 大飛機中的通信系統

大飛機上的通信系統,既要完成飛機與地面的互聯,也要完成飛機內部的聯絡。因此,飛機通信系統包括飛行器電子系統與地面電子系統兩部分。這兩部分通過高頻的電磁波信號傳遞信息：首先由大飛機發送電磁信號到空間衛星,然后由空間衛星傳遞給航空地球站,再通過網絡傳遞給各個地面終端設備,從而實現通信。大飛機上還配有電報設備,源源不斷的把航行數據發送給航空公司。在起飛和降落階段,飛行員還可以通過機載應答設備直接與地面語音聯系。另外,大飛機中的黑匣子也會不斷的記錄飛機的飛行數據與通話記錄,供飛行試驗或事故分析之用。

2.2 大飛機中的導航系統

飛機的導航系統主要用來引導飛機沿著預定航線飛到預定位置,并可以隨時給出飛機準確的即時位置。利用全球衛星定位系統GPS,大飛機可以實現智能飛行,減少飛行員的操作難度。此外,大飛機還有儀表導航、慣性導航、雷達導航等多種導航方式,全方位保證飛機航行線路的準確。

3 其他分支在大飛機中的應用

大飛機在1萬米的高空平流層飛行,機外的溫度低至零下40度。為了保障機內溫度的舒適,大飛機會使用玻璃復合材料來達到隔熱的效果。發動機作為飛機動能的提供者,還需要適應高空缺氧、低溫、低氣壓等惡劣條件,因此大飛機所用的航空燃料雜質較少,安全系數較高。為了給乘客創造安靜的環境,大飛機還使用大量隔音材料減少飛行中的噪音。除此之外,飛機內部的照明燈源配置在座艙頂棚處,這樣光線可以通過不斷反射達到均勻柔和的照明效果。這些熱學、聲學、光學細節的設計,大大提高了乘客乘坐大飛機的舒適程度,因此大飛機也越來越受到青睞。

4 結語

大飛機中物理學的應用還有很多。國產大飛機C9 19的成功研發與試飛,離不開物理學所起的關鍵性作用。相比于強大的航天工業,我國的航空工業還比較薄弱。未來的航空工業會朝著綜合化、自動化、智能化的方向發展。相信隨著C919的成功首飛,我國的航空工業發展也會迎來一次新的飛躍。

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