飞行的动力

王金发

适于18世纪60～80年代的欧洲工业革命（又名产业革命），推动可工业的发展。1903年，美国莱特兄弟制造的飞机试飞成功，极大地促进了产业集团向天空发展的渴求。科学家们借鉴莱特兄弟的经验，经过反复试验惊奇地发现看不见的空气动力与航空器之间存在着密切的联系。

空气动力学时航空技术的重要理论基础之一，它主要研究空气（或其他气体）的运动规律，空气与物体发生相对运动时的相互作用和伴随发生的物理化学变化。空气动力学的每一次重大突破，都会引领航空技术的变革。今天，我们就介绍飞机在空中飞行所涉及的最基本动力——升力、阻力以及发动机动力。

要了解飛机的飞行原理就必须先了解飞机的组成以及功用，大多数飞机都是由机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置五个主要部分组成的。

飞机的升力

在天空中飞行的飞机比空气重，又不能像鸟一样扇动翅膀，那它的升力是如何产生的呢？飞机在空中飞行，会产生作用于飞机的空气动力。正常布局的飞机，其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，一般可以忽略不计。飞机在高速飞行中，迎面而来的空气会被“劈”成上、下两股气流，分别沿机翼上下表面流过，在机翼后缘重新会合向后流去。大家有没有注意到通常机翼的上表面会有一定的弧度，而下表面则较为平直？这样的设计是为了使空气在上表面经过的路程大于下表面，而在上下两部分空气同时到达机翼后缘会合的情况下，上表面的空气就要加速流动。根据伯努利原理：流体在一个管道中流动时，流速快的地方压力小，而流速慢的地方压力大。那么，同样的道理，机翼上表面的空气流速快，压力就小：而机翼下表面的空气流速慢，压力就大。当大气施加在机翼下表面的压力（方向向上）比施加于机翼上表面的压力（方向向下）大时，机翼上、下表面就出现了压力差，依靠这种压力差，机翼就获得了升力，从而能够让飞机在天空中飞行。所以，总结一下就是机翼上下表面的距离差造成了气流的速度差，速度差又导致了压力差，形成了升力。

飞机的阻力

我们在骑自行车时会遇到阻力，而飞机在飞行中也会有阻力，其中有四种阻力影响最大。一是摩擦阻力，当空气流过飞机表面时，空气和飞机表面会发生摩擦，产生一个阻止飞机前进的力，这个力就是摩擦阻力。二是压差阻力，它是在机翼等结构的前后，由于压强差所产生的阻力。这种阻力和迎风面积有很大关系，迎风面积越大压差阻力就越大。就像游泳时水流迎面而来，运动员不同的姿态就会产生不同大小的压差阻力，而对于飞机来说，各部件的外形对压差阻力的影响很大，而实验表明，流线形的物体压差阻力最小。三是诱导阻力，飞机在飞行中，翼尖附近的气流在压差的作用下会由下向上绕，这样既减小了升力，又产生了阻力，这就是诱导阻力。四是干扰阻力，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，除了这些阻力外，还会产生激波阻力等。

影响升力和阻力的因素

升力和阻力都是飞机在与空气之间的相对运动中产生的。影响升力和阻力的基本因素有：机翼在气流中的相对位置（迎角）、相对于气流的飞行速度和空气密度以及飞机本身的特点（飞机表面质量、机翼形状、机翼面积、是否使用襟翼和前缘翼缝是否张开等）。

迎角就是飞机运动方向与翼弦所夹的角度。在飞行速度等其他条件相同的情况下，得到最大升力的迎角，叫作临界迎角。在小于临界迎角范围内增大迎角，就可以增加升力：超过临界迎角后，再增大迎角，升力反而减小。随着迎角增大，阻力也会越来越大，超过临界迎角后，阻力会急剧增加。

就像我们骑自行车一样，飞机前进的速度越快，升力、阻力越大。这是为什么呢？因为当速度加快的时候，空气受飞机的挤压就加大了，于是空气的密度就会变大，我们说这时的空气动力也就变大，升力、阻力自然也大。

大家想想，将同等质量的一张大纸和一根针同时扔下，哪个掉落的速度慢？当然是纸，因为纸的面积大，它的升力和阻力都比针要大。同样的道理，机翼面积越大，升力和阻力也就越大。此外，机翼的形状对升力、阻力有很大影响，机翼切面形状的相对厚度、最大厚度位置、机翼平面形状、襟翼和前缘翼缝的位置等都会影响升力和阻力。还有飞机表面光滑与否对摩擦阻力也会有影响，飞机表面相对光滑，阻力相对也会较小，反之则大。因此，空气动力外形的设计对飞机性能的好坏具有十分重要的影响。

飞机发动机动力

飞机是一种非常方便快捷的交通工具，乘坐飞机，我们可以快速到达世界上任何一个国家。但是你知道吗，让这么一个庞然大物腾空而起，光靠机翼上下表面的压力差形成的升力是不够的，还必须有一个强大的发动机。那么发动机是什么样的？它又是怎么工作的呢？

飞机发动机有很多种，比如：活塞式发动机、燃气涡轮发动机、冲压发动机，等等。20世纪初，滑翔机和动力机械逐渐成熟，人们开始尝试把动力机械装到滑翔机上，开始研究动力飞行。人们不断探索使飞机飞得更快更高的辦法，他们在实践中发现，活塞式发动机已无法达到要求，必须更换发动机。1930年，英国的弗兰克·惠特尔设计出第一台涡轮喷气发动机。几乎与惠特尔同时，德国的奥亨也开始研制涡轮喷气发动机，并在1937年成功运转，1939年用于飞机，由此世界上第一架喷气式飞机诞生了。

发动机种类虽然很多，但同类发动机工作原理大同小异。拿涡轮喷气发动机来说，它的工作分为进气、加压、燃烧、排气四个步骤，在飞机高速飞行时，气体迎面“撞”入进气道，在前面的“大风扇”（压气机）处被加压，形成温度非常高的高压气体，这一气体进入燃烧室时，与燃烧室里面的燃气混合点燃，瞬间形成一股非常大的能量，产生巨大气流穿过涡轮机，使涡轮机快速旋转，带动同轴上的压气机旋转，不断抽进更多的空气，而高压高温气流则从喷口快速喷出，使发动机获得反作用推力，这股推力与飞机机翼产生的升力结合，飞机就飞起来了。

讲了这么多，现在大家不仅对于飞机有了更多的了解，是不是也对飞机的发展历史更加清楚了呢？从热气球到飞艇、滑翔机，再到机械动力飞机，人类的飞翔史就是这样随着对空气与物体之间关系的认识一步步展开的。