飞机的设计

飞机的稳定性
❖ 飞机的稳定性是飞机设计中衡量飞行品质的重要参数，它表示飞机在受到扰动之后是否具 有回到原始状态的能力。如果飞机受到扰动（例如突风）之后，在飞行员不进行任何操纵 的情况下能够回到初始状态，则称飞机是稳定的，反之则称飞机是不稳定的。 飞机的稳定性包括纵向稳定性，反映飞机在俯仰方向的稳定特性；航向稳定性，反映 飞机的方向稳定特性；以及横向稳定性，反映飞机的滚转稳定特性。 关于稳定与不稳定的概念可以形象的加以说明。例如，我们将一个小球放在波浪型表 面的波峰上然后轻轻的推一下，小球就会离开波峰掉入波谷，我们将小球处在波峰位置的 状态称为不稳定状态。反之，如果我们将小球放在波谷并且轻轻地推一下，球在荡漾一段 时间之后，仍然能够回到谷底，我们称小球处在波谷的状态为稳定状态。 飞机的稳定与否对飞行安全尤为重要，如果飞机是稳定的，当遇到突风等扰动时，飞 行员可以不用干预飞机，飞机会自动回到平衡状态；如果飞机是不稳定的，在遇到扰动时， 哪怕是一丁点扰动，飞行员都必须对飞机进行操纵以保持平衡状态，否则飞机就会离初始 状态越来越远。不稳定的飞机不仅极大地加重了飞行员的操纵负担，使飞行员随时随地处 于紧张状态，而且飞行员对飞机的操纵与飞机自身运动的相互干扰还容易诱发飞机的振荡， 造成飞行事故。从现代飞机设计理论来看，莱特兄弟发明的飞机是纵向不稳定的。然而他 们却成功了，这主要是因为当时飞机的速度低，飞行员有足够的时间来调整飞机的平衡。 莱特兄弟曾经说过他们在试飞时曾多次失控，飞机不住地振荡，最后以滑橇触地而结束。 随着飞行速度越来越快，飞行员越来越难以控制不稳定的飞机，所以一般在飞机设计中要 求将飞机设计成稳定的，飞机稳定性设计也变得越来越重要了。 虽然越稳定的飞机对于提高安全性越有利，但是对于操纵性来说却越来越不利。因为 越稳定的飞机，要改变它的状态就越困难，也就是说，飞机的机动性越差。所以如何协调 飞机的稳定性和操纵性之间的关系，对于现代战斗机来说是一个非常值得权衡的问题。实 际上为了获得更大的机动性，目前最先进的战斗机都已经被设计成不稳定的飞机。当然这 样的飞机不能再通过飞行员来保持平衡，而是通过一系列其他的增稳措施，比如电传操纵 等主动控制手段来自动实现飞机的稳定性。
莱特兄弟却没有放弃自己的努力。从1900年至1902年期间，他们除了进行1000多次滑翔试飞之外，还 自制了200多个不同的机翼进行了上千次风洞实验，修正了李林塔尔的一些错误的飞行数据，设计出了较大 升力的机翼截面形状。他们在1903年制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者”1号，这 架飞机的翼展为13.2米，升降舵在前，方向舵在后，两副两叶推进螺旋桨由链条传动，着陆装置为滑橇式， 装有一台70千克重，功率为8.8千瓦的四缸发动机。这架航空史上著名的飞机，现在陈列在美国华盛顿航空 航天博物馆内。
1903年12月14日至17日，“飞行者”l号进行第4次试飞，地点在美国北卡罗莱纳州基蒂霍克的一片沙 丘上。第一次试飞由奥维尔．莱特驾驶，共飞行了36米，留空12秒。第四次由威尔伯．莱特驾驶，共飞行 了260米，留空59秒。1906年，他们的飞机在美国获得专利发明权。
他们因此于1909年获得美国国会荣誉奖。同年，他们创办了“莱特飞机公司”。威尔伯．莱特于1912 年5月29日逝世，年仅45岁。此后，奥维尔．莱特奋斗30年，使莱特飞机公司成为世界著名飞机制造商，资 金高达百亿美元。奥维尔．莱特于1948年1月3日逝世。
飞机的分代与第一代战斗机
飞机自从发明的那一天开始，就注定要将自己与军事连结在一起。为了获得空中优势，人们一直在琢磨如何在空战中占据主动，不断地探索新的 空战战术、技术。新的空战战术不断对飞机的性能提出新的要求，而飞机性能的提高又不断促使人们充分利用这些性能发展相应的空战战术。两 者的相互促进推动了战斗机研制的发展。 最初的空战战术是盘旋，飞机的水平机动能力决定着空战的成败。随着德国著名飞行员殷麦曼首创的垂直机动开始，飞机的垂直机动能力越 来越受到重视，一直到第二次世界大战，空战的主要原则是“谁有高度优势，谁就能控制战斗”， 当时的单机空战四要素是：高度、速度、机 动、火力，因此设计师们不断地提高飞机的速度和升限。随着喷气技术突破性的进展，在第二次世界大战末期，喷气式战斗机进入了历史舞 台。 从喷气式战斗机开始服役至今有半个世纪了，人们根据战斗机性能的变化，将喷气式战斗机进行了分代，以一个清晰的脉络使50年来飞机的 发展呈现在了人们眼前。 飞机的分代已经有了普遍的共识，其原则主要有： 1． 各国战斗机的分代标准应是统一的，应以技术最先进的国家的典型战斗机为代表，作为统一分代的标准。 2． 各国飞机的主要战术技术性能要有“台阶”性的差别和提高。也就是说，“换代飞机”的技战术性能与上一代飞机相比必须有“质”的 飞跃。确定分代标准的战术技术性能，是决定飞机作战效能的关键因素和代表航空技术新水平的关键技术。 3． “换代飞机”必须是一个时期的主力机种，具备了相当的作战能力和经历了一定的实战使用与考验。 喷气式发动机替代活塞式发动机使飞机的性能产生了飞跃，飞机的飞行速度达到了1100公里/小时，实用升限达到15000米左右。但是当时 的空战战术并没有因为飞机速度的提高而产生质的变化，这主要是因为飞机的机载武器系统和电子设备的滞后发展，制约了空战战术的发展。 美国和前苏联于40年代末，50年代初开始投入使用的喷气式战斗机，都是第一代喷气式战斗机，包括F-80、F-86、F-100、米格-15、米格19，其中的代表性飞机是F-86和米格-15。 第一代战斗机已经可以实现超音速飞行，其最大飞行速度可以达到马赫数1.3。第一代战斗机普遍采用后掠机翼，装有带加力燃烧室的涡轮 喷气发动机。飞机的电子设备还非常简陋，主要是通讯电台、高度表和无线电罗盘以及简单的敌我识别装置。武器装置以大口径航炮为主，后期 型可以挂装第一代空空导弹。飞机的火控系统为简单的光学-机电式瞄准具，后期安装了第一代雷达。 第一代战斗机主要的空战方式是近距格斗，尾随攻击。第一代战斗机参加了朝鲜战争，美苏两国第一代战斗机进行了直接对话。当时由于美 国对朝鲜实施大量轰炸，为了避免伤亡，轰炸机的飞行高度都很高，所以当时为了拦截轰炸机，护航给与拦截机经常在万米高空进行缠斗，作战 高度提高是当时空战的明显特点。由于飞机在高空的盘旋性能较差，所以这一时期飞机在垂直方向上的机动性能显得更为重要。F-86和米格-15 由于各自的性能特点不同，采用的空战战术也不同，米格-15在战斗中力争“飞得高些，靠垂直机动”，而F-86在战斗中则尽量“飞得低些，靠 水平机动”。 两种第一代战斗机的典型代表在朝鲜战场上的碰撞不仅使各自名声雀起，在人们心中留下不灭印象，而且促使军事专家对空战战术和技术进 行了反思，从而造成了第二代战斗机的诞生。
飞机的发明
• 象鸟儿一样在天空飞翔，自古以来就是人类的梦想。为了它的实现，人们付出了多年坚持不懈的努力，甚
至许多先驱者生命的代价。终于在1903年12月17日，世界上第一架载人动力飞机在美国北卡罗莱纳州的基 蒂霍克飞上了蓝天。这架飞机被叫做“飞行者—1号”，它的发明者就是美国的威尔伯．莱特和奥维尔．莱 特兄弟。
威尔伯．莱特生于1867年4月16日，他的弟弟奥维尔．莱特生于1871年8月19日，他们从小就对机械装 配和飞行怀有浓厚的兴趣，从事自行车修理和制造行业。
奥托．李林塔尔试飞滑翔机成功的消息使他们立志飞行。1896年李林塔尔特别研究了鸟的飞行，并深入钻研了当时几乎所有关于航空理论方面 的书籍。这个时期，航空事业连连受挫，飞行技师皮尔机毁人亡，重机枪发明人马克沁试飞失败，航空学家 兰利连飞机带人摔入水中，等等，这使大多数人认为飞机依靠自身动力的飞行完全不可能。