飛行的動力

王金發

適于18世紀60～80年代的歐洲工業革命（又名產業革命），推動可工業的發展。1903年，美國萊特兄弟制造的飛機試飛成功，極大地促進了產業集團向天空發展的渴求。科學家們借鑒萊特兄弟的經驗，經過反復試驗驚奇地發現看不見的空氣動力與航空器之間存在著密切的聯系。

空氣動力學時航空技術的重要理論基礎之一，它主要研究空氣（或其他氣體）的運動規律，空氣與物體發生相對運動時的相互作用和伴隨發生的物理化學變化。空氣動力學的每一次重大突破，都會引領航空技術的變革。今天，我們就介紹飛機在空中飛行所涉及的最基本動力——升力、阻力以及發動機動力。

要了解飛機的飛行原理就必須先了解飛機的組成以及功用，大多數飛機都是由機翼、機身、尾翼、起落裝置和動力裝置五個主要部分組成的。

飛機的升力

在天空中飛行的飛機比空氣重，又不能像鳥一樣扇動翅膀，那它的升力是如何產生的呢？飛機在空中飛行，會產生作用于飛機的空氣動力。正常布局的飛機，其升力絕大部分是由機翼產生，尾翼通常產生負升力，飛機其他部分產生的升力很小，一般可以忽略不計。飛機在高速飛行中，迎面而來的空氣會被“劈”成上、下兩股氣流，分別沿機翼上下表面流過，在機翼后緣重新會合向后流去。大家有沒有注意到通常機翼的上表面會有一定的弧度，而下表面則較為平直？這樣的設計是為了使空氣在上表面經過的路程大于下表面，而在上下兩部分空氣同時到達機翼后緣會合的情況下，上表面的空氣就要加速流動。根據伯努利原理：流體在一個管道中流動時，流速快的地方壓力小，而流速慢的地方壓力大。那么，同樣的道理，機翼上表面的空氣流速快，壓力就小：而機翼下表面的空氣流速慢，壓力就大。當大氣施加在機翼下表面的壓力（方向向上）比施加于機翼上表面的壓力（方向向下）大時，機翼上、下表面就出現了壓力差，依靠這種壓力差，機翼就獲得了升力，從而能夠讓飛機在天空中飛行。所以，總結一下就是機翼上下表面的距離差造成了氣流的速度差，速度差又導致了壓力差，形成了升力。

飛機的阻力

我們在騎自行車時會遇到阻力，而飛機在飛行中也會有阻力，其中有四種阻力影響最大。一是摩擦阻力，當空氣流過飛機表面時，空氣和飛機表面會發生摩擦，產生一個阻止飛機前進的力，這個力就是摩擦阻力。二是壓差阻力，它是在機翼等結構的前后，由于壓強差所產生的阻力。這種阻力和迎風面積有很大關系，迎風面積越大壓差阻力就越大。就像游泳時水流迎面而來，運動員不同的姿態就會產生不同大小的壓差阻力，而對于飛機來說，各部件的外形對壓差阻力的影響很大，而實驗表明，流線形的物體壓差阻力最小。三是誘導阻力，飛機在飛行中，翼尖附近的氣流在壓差的作用下會由下向上繞，這樣既減小了升力，又產生了阻力，這就是誘導阻力。四是干擾阻力，它是飛機各部分之間因氣流相互干擾而產生的一種額外阻力，這種阻力容易產生在機身和機翼、機身和尾翼、機翼和發動機艙、機翼和副油箱之間。以上四種阻力是對低速飛機而言，至于高速飛機，除了這些阻力外，還會產生激波阻力等。

影響升力和阻力的因素

升力和阻力都是飛機在與空氣之間的相對運動中產生的。影響升力和阻力的基本因素有：機翼在氣流中的相對位置（迎角）、相對于氣流的飛行速度和空氣密度以及飛機本身的特點（飛機表面質量、機翼形狀、機翼面積、是否使用襟翼和前緣翼縫是否張開等）。

迎角就是飛機運動方向與翼弦所夾的角度。在飛行速度等其他條件相同的情況下，得到最大升力的迎角，叫作臨界迎角。在小于臨界迎角范圍內增大迎角，就可以增加升力：超過臨界迎角后，再增大迎角，升力反而減小。隨著迎角增大，阻力也會越來越大，超過臨界迎角后，阻力會急劇增加。

就像我們騎自行車一樣，飛機前進的速度越快，升力、阻力越大。這是為什么呢？因為當速度加快的時候，空氣受飛機的擠壓就加大了，于是空氣的密度就會變大，我們說這時的空氣動力也就變大，升力、阻力自然也大。

大家想想，將同等質量的一張大紙和一根針同時扔下，哪個掉落的速度慢？當然是紙，因為紙的面積大，它的升力和阻力都比針要大。同樣的道理，機翼面積越大，升力和阻力也就越大。此外，機翼的形狀對升力、阻力有很大影響，機翼切面形狀的相對厚度、最大厚度位置、機翼平面形狀、襟翼和前緣翼縫的位置等都會影響升力和阻力。還有飛機表面光滑與否對摩擦阻力也會有影響，飛機表面相對光滑，阻力相對也會較小，反之則大。因此，空氣動力外形的設計對飛機性能的好壞具有十分重要的影響。

飛機發動機動力

飛機是一種非常方便快捷的交通工具，乘坐飛機，我們可以快速到達世界上任何一個國家。但是你知道嗎，讓這么一個龐然大物騰空而起，光靠機翼上下表面的壓力差形成的升力是不夠的，還必須有一個強大的發動機。那么發動機是什么樣的？它又是怎么工作的呢？

飛機發動機有很多種，比如：活塞式發動機、燃氣渦輪發動機、沖壓發動機，等等。20世紀初，滑翔機和動力機械逐漸成熟，人們開始嘗試把動力機械裝到滑翔機上，開始研究動力飛行。人們不斷探索使飛機飛得更快更高的辦法，他們在實踐中發現，活塞式發動機已無法達到要求，必須更換發動機。1930年，英國的弗蘭克·惠特爾設計出第一臺渦輪噴氣發動機。幾乎與惠特爾同時，德國的奧亨也開始研制渦輪噴氣發動機，并在1937年成功運轉，1939年用于飛機，由此世界上第一架噴氣式飛機誕生了。

發動機種類雖然很多，但同類發動機工作原理大同小異。拿渦輪噴氣發動機來說，它的工作分為進氣、加壓、燃燒、排氣四個步驟，在飛機高速飛行時，氣體迎面“撞”入進氣道，在前面的“大風扇”（壓氣機）處被加壓，形成溫度非常高的高壓氣體，這一氣體進入燃燒室時，與燃燒室里面的燃氣混合點燃，瞬間形成一股非常大的能量，產生巨大氣流穿過渦輪機，使渦輪機快速旋轉，帶動同軸上的壓氣機旋轉，不斷抽進更多的空氣，而高壓高溫氣流則從噴口快速噴出，使發動機獲得反作用推力，這股推力與飛機機翼產生的升力結合，飛機就飛起來了。

講了這么多，現在大家不僅對于飛機有了更多的了解，是不是也對飛機的發展歷史更加清楚了呢？從熱氣球到飛艇、滑翔機，再到機械動力飛機，人類的飛翔史就是這樣隨著對空氣與物體之間關系的認識一步步展開的。