航空航天概论(第三版)

第1章 绪论 人类祖先就有像鸟一样自由飞翔的愿望。大约从盘古时代中国人就有了飞天梦，于是出现“女娲补天”的神话。传说黄帝战胜蚩尤就得到有翼的神龙相助，于是“龙”——这一想象中的飞行神物就成为中华民族的图腾。人类认识自然、改造自然、扩大活动范围经历了十分漫长的过程，从陆地到海洋，从地面到空中，从大气层内到宇宙空间，在探索宇宙中，人类的科学技术也在一次又一次飞跃。 在科学技术不够发达的古代，人类虽然对飞行梦寐以求，但始终只能将这种热情寄托在遥远的幻想中。几千年来中国、古印度、古希腊和古埃及等文明古国流传着许许多多关于人类飞上天空的神话故事，如我国古代传说中的“嫦娥奔月”和西方神话中长有翅膀的天使们的各种故事。 远古时代那些关于航空航天的神话，深刻影响着人类的生活和思想。那些迷人的故事，激发着一代又一代人创造飞行器的兴趣，并不断激励着人类进行着各种飞行冒险和科学实践。在古人幻想飞上天空的几种方法——借助天神的帮助、飞禽鸟兽运载、自己身上绑上翅膀和依靠“会飞的车子”中，*终人类还是依赖于自己的聪明才智和不懈的实践，发明了“会飞的车子”，实现了飞天的梦想。 这些“会飞的车子”，今天统称为飞行器。如果从1903年莱特兄弟首次实现动力飞行算起，人类飞行的历史已有100多年；如果从1783年蒙哥尔菲兄弟的热气球升空算起，人类则已经拥有200多年的飞行史。在这段并不漫长的飞行纪元中，人类以聪明的才智和巨大的勇气发明了各式各样的飞行器，不断朝着更高、更远、更快的飞行目标前进。本章将从飞行器的分类开始，简要地回顾人类这段伟大的飞行历史。 1.1 飞行器分类 飞行器是指能在地球大气层内外空间飞行的器械。通常按照飞行环境和工作方式，把飞行器分为三类：航空器、航天器、火箭和导弹。 航空器是指在大气层内飞行的飞行器。航空器根据飞行原理分为空气静力飞行器（又称为轻于空气的航空器）和空气动力飞行器（又称为重于空气的航空器）空气静力飞行器依靠空气的静浮力升空飞行，包括气球和飞艇；空气动力飞行器依靠本身与空气相对运动产生的空气动力升空飞行，包括飞机、直升机、滑翔机、旋翼机和地效飞行器等。 航天器是指主要在大气层外空间飞行的飞行器。航天器的飞行原理是：在运载火箭的推动下获得必要的速度进人大气层以外的空间，然后在引力作用下完成类似于天体的轨道运动。 火箭和导弹都属于一次性使用的飞行器。火箭是以火箭发动机为动力而升空，可以在大气层内或大气层外飞行的飞行器；导弹是一种弹体带有战斗部、依靠制导系统控制其飞行轨迹的飞行器。 1.1.1 航空器 航空器可以根据不同的原则来分类，有的根据飞行器的活动范围、使用条件分类，也有的根据飞行器的外形特征、产生升力的原理以及用途来分类。 1.航空器按照产生升力的原理分类 航空器按照产生升力的不同原理分为空气静力飞行器和空气动力飞行器。由于飞行原理不同，航空器的外形千姿百态，有的呈圆形，有的呈椭圆形；有的貌似滑翔的大鸟，有的又像悬空的蜻蜓；有的可以冲上云霄，而有的只能贴地飞行，航空器按升力原理分类如图1-1所示。 图1-1 航空器按升力原理分类 空气静力飞行器也称为轻于空气的航空器，这种飞行器的平均密度小于空气的密度，因此它就像软木塞漂在水里一样受到空气的浮力作用，飘浮在空气之中。由于空气密度随着高度的增加而降低，所以这种航空器在上升时，其升力（浮力）也随着高度的增加而降低，到达一定高度时就停止。空气静力飞行器根据是否具备动力系统，分为气球和飞艇两种（图1-2）。 图1-2 空气静力飞行器 气球是不带动力系统的空气静力飞行器，上部一般是个圆形的气囊，其中充以密度较空气小得多的气体，下部有装载人员和货物的吊篮。其中，自由气球不能控制飞行方向，只能随风漂流，但垂直方向的升降可以操纵。要使气球上升，可以从吊篮中拋去重物（如沙袋）使气球重量减轻；要使气球下降，可以通过专用的阀门放出一些气体，使浮力减小。在气球内充以氢气或氦气的是冷气球，充以热空气的就是热气球。 飞艇又名可操纵气球，它颇像一艘空中飞船，能在很大的高度范围内按照规定的方向飞行。飞艇是一种装有安定面、方向舵和升降舵的流线型气球，并装有发动机带动螺旋桨产生拉力。飞艇依其构造的不同，可分为软式、硬式、半硬式三种。 空气动力飞行器也叫重于空气的飞行器（图1-3），通过飞行器与空气的相对运动所产生的空气动力，获得支持飞行器重量的升力。根据是否具有产生升力的翼面（机翼或旋翼）空气动力飞行器分为有翼航空器和无翼航空器。有翼航空器包括固定翼航空器（飞机、滑翔机）、旋翼航空器（直升机、旋翼机、倾转旋翼机）、扑翼飞行器和地效飞行器。 图1-3 空气动力飞行器 飞机和滑翔机产生升力的翼面在飞行时相对于机身固定不动，故称为固定翼航空器。飞机是数量*大、使用*多的航空器。滑翔机相当于没有动力的飞机，它依靠机翼的优良性能可以做长距离滑翔，在上升气流中也可以做长时间翱翔。带有发动机的滑翔机称为动力滑翔机，和飞机不同的是，动力滑翔机的发动机只在起飞时使用，在飞行过程中关闭。 直升机和旋翼机产生升力的翼面在飞行时相对于机身是运动着的。直升机和旋翼机外形相似，但飞行原理不同。直升机的发动机直接带动旋翼旋转产生升力，可以垂直起飞和悬停；旋翼机的发动机不直接带动旋翼，而是靠前进时的相对气流吹动其旋转，就像小时候玩的纸风车一样。旋翼机像飞机一样滑跑起飞，不能垂直起飞和悬停，并且速度较慢，仅用于游览、救护和体育活动等。 倾转旋翼机是一种兼有直升机与固定翼航空器特征于一身的新概念旋翼飞行器，两个带发动机舱的旋翼位于机身两侧翼尖，起飞和降落采用直升机模式；前飞时旋翼相对于机体倾转，过渡到普通的螺旋桨飞机模式，通过旋翼产生向前的拉力，依靠机翼产生升力。 扑翼飞行器是一种依靠与鸟类翅膀相似的运动翼面产生升力的飞行器。从古代起人类就从事模仿飞鸟的扑翼飞行。意大利画家达 芬奇在他绘制的草图里曾经提出过扑翼机的设计方案。尽管经过了长期的努力，但直到今天实用的扑翼机还未能获得成功。因为鸟类飞行时的翅膀动作，并不是简单地向下扇扑，而是要复杂得多。扑翼飞行器提升一定重量所需的动力只有普通固定翼飞机的几分之一，并且能够实现垂直起飞和降落，因此目前仍在进行着大量的研究。南京航空航天大学于2003年研制成功的可控微型扑翼机“银翅-03”，填补了该领域的国内空白。 地面效应飞行器（简称地效飞行器）是利用地面效应而腾空行驶的。这种飞行器一般贴近地面或水面运动，所以不能算飞行，只能称为“行驶”。与飞机不同的是，地效飞行器主要在地效区飞行，也就是贴近地面、水面飞行；与气垫船不同的是，气垫船靠自身动力产生气垫，而地效飞行器靠地面效应产生气垫。 此外，航空器中还有一种无人驾驶、自动控制的飞行器，称为无人驾驶飞行器或无人机（unmanned aerial vehicle，UAV），无人机系统发展正在深人到有人飞行器的各个种类。 2.航空器按照用途分类 航空活动分为军用航空和民用航空。军用航空泛指用于军事目的的一切航空活动，主要包括作战、侦察、运输、警戒、训练以及科学研究等；民用航空泛指为国民经济服务的非军事性飞行活动。根据飞行任务不同，民用航空又分为商用航空和通用航空两大类。商用航空指在国内和国际航线上的商业性客、货（邮）运输，主要由客机、货机或客货两用机完成；通用航空指用于公务，农、林、牧、副、渔业，地质勘测，公安，气象，环保，救护，体育，观光游览等的飞行活动，主要由商业飞机以外的民用飞机和直升机完成。 飞机根据不同用途可分为军用飞机、民用飞机和研究机（图1-4）。军用飞机包括歼击机、强击机、截击机、轰炸机、军用运输机、军用教练机、侦察机、预警机、反潜机、电子战飞机、空中加油机等；民用飞机包括客机、货机、农林飞机、公务机、巡逻救护机、体育运动机、轻型多用途飞机等。研究机也叫试验机，为新型机种而研制的试验机，可以看成一类特殊的飞机。 直升机也可按用途分为军用直升机和民用直升机。军用直升机分为武装直升机、运输直升机和战斗勤务直升机。民用直升机分为通用运输直升机、旅客运输直升机、公共服务直升机、特种直升机、起重直升机和教练直升机等。 图1-4 飞机按用途分类 （1）军用飞机 歼击机：也叫战斗机（图1-5），它专门用来对付敌机。飞机上装有机关炮、火箭和导弹等攻击武器。这种飞机体积小，机体坚固，飞行速度快，飞机的活动灵活，武器威力大。 图1-5 各式各样的军用飞机和研究机 早期歼击机分工较细（分为前线歼击机、拦截歼击机、护航歼击机、歼击轰炸机等），目前的战斗机一般为多用途歼击机。所谓“多用途”一类指同一架飞机可作多种用途，还可执行截击或对地攻击任务，然后在基本型飞机的基础上更改装备或者结构上做局部变动，形成多种不同用途的派生型歼击机，这样就大大节约了研制成本。 轰炸机：轰炸机用来轰炸敌方军事力量和军事装备，像机场、舰队、坦克和炮群等，或者攻击敌方的战略中心，如军事、工业和交通中心。轰炸机按照载弹量可以分为重型、中型和轻型三种；按照战术性能又分为战略轰炸机和战术轰炸机。战略轰炸机的任务是深人敌人后方，轰炸其军事基地、交通枢纽、经济中心，它的主要特点是航程远、速度高、载弹量大；战术轰炸机又叫轻型轰炸机，这种飞机主要用于配合地面部队轰炸敌方供应线、前线阵地和各种活动目标。 强击机：又叫攻击机，它的主要任务是从低空、超低空对地面或水上的有生力量、防御据点、指挥机构、炮兵阵地、交通枢纽、桥梁，特别是机动部队如坦克、装甲车辆和骑兵等进行攻击活动。它还可以携带鱼雷攻击敌方的舰艇。这种飞机应该有良好的低空飞行性能、强大的对地攻击火力和适当的装甲，以保护飞行员、发动机和油箱。 军用运输机：主要用来运输兵员、武器装备以及空投伞兵和辎重等。其目的是加强作战的机动性。按载重量和航程的大小，可分为战略运输机和战术运输机。战略运输机的航程远，载重量大；战术运输机的航程短，载重量小。 预警机：也叫早期警戒机，是用于监视敌方飞机或导弹的活动，以加强防空效能的飞机。预警机往往并不专门设计，通常是用运输机或轰炸机改装而成，这类飞机的一个明显的外形特征是机身背上都装着一个尺寸很大的“塑料罩”，罩内就是远距离搜索雷达的回转天线。预警机与地面雷达相比具有探测距离远，而且不容易遭受攻击的优点。例如，用波音707-320运输机改装成的FX-137D预警机，其预警距离达1300多千米，而地面雷达的预警距离由于存在盲区的原因，只有200km左右。所以假设敌方空袭飞机人侵，地面雷达只能在袭击前6min发现，而EC-137D能在前30min发现。预警机除了能警戒敌机外，通过机上安装的多种电子设备和机载电子计算机还能引导截击机去迎击人侵的敌机，起到指挥部的作用。由此可见预警机在现代战略防御体系中是十分重要的。 舰载机：指可在航母上起降的战斗机或预警机。 其他军用飞机：侦察机的主要任务是获取敌方军事情报如敌军调动、兵力布置以及后方交通和机场情况等；反潜机专门用来搜索和攻击敌方的潜水艇；军用教练机用来训练军用飞机飞行员，机内设有学员和教员座椅，并分别配备两套飞机操纵系统和飞行仪表。其中，初级教练机用于训练学员掌握初级飞行技术，中、高级教练机用于训练学员掌握喷气飞机飞行技术、进行高级特技飞行、仪表飞行和基本战术飞行训练。 （2）研究机 研究机一般首先用于军事目的，因此可以看成特殊的军用飞机。第二次世界大战后，世界各国为了研制性能更好的军用飞机，同时为了解决航空科学中出现的新问题和验证新技术的适用性，制造了一二百种研究机和试验机。这些飞机可以分为三类：**类是新型飞机的试验型，这类飞机是为了通过试飞检