Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 鹰击长空百年路 
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年12月09日21:26:35 星期二), 站内信件


　　1903年12月17日，美国莱特兄弟研制的“飞行者”1号第一次试飞成功。

　　尽管这次飞行的时间只有短短的12秒，飞行距离只有36米，

　　但它标志着人类从此进入了航空飞机新时代。

 
　　撰文/Massimo Bozzo

　　翻译/曹金刚

　　在枞木和帆布中诞生的飞机

　　今年是历史上第一架飞机—“飞行者”1号(Flyer I)诞生100周年，它是人类
历史上第一个比空气重且靠发动机推动起飞的机器。“飞行者”1号是由威尔伯·
莱特(Wilbur Wright)和奥维尔·莱特(Orville Wright)兄弟发明和制造的。1903
年12月17日，他们两人轮流驾驶着这架飞机飞行在美国北卡罗来纳州基蒂霍克
(Kitty Hawk)上空。如今，这架飞机陈列在华盛顿航空航天博物馆内，它身旁的指
示标牌可称得上是航空事业的出生证，上面写着：“通过独特的科学研究，莱特兄
弟发现了人类飞行的原理。作为发明家、制造者和飞行员，他们发明了飞机，教会
了人类如何进行飞行，并开辟了一个航空时代。”在莱特兄弟之前，许多先驱者做
了几十年的尝试都没有成功，而他们的成功，原因就在于运用了科学的方法来解决
这一难题。在制造装有发动机的飞机之前，莱特兄弟先是制作了一些滑翔机，并且
把这些实践经验与从当时仅有的几本空气动力学方面书籍中学习到的知识结合起来
。通过这些活动，他们认识到以前那些飞机所缺乏的是在飞行中对飞机进行侧向控
制的系统。当时的一些飞机上已经装有方向舵和升降舵，但莱特兄弟的独到之处在
于发明了一套可以让飞机在进行飞行调整时不至于失控的系统。事实上，在他们的
飞机上安装的并非像我们今天所说的机翼后部边缘处活动的小侧板那样的副翼，而
是一套由飞行员控制的带钢缆的拉杆系统，这一系统可以改变机翼的形状。莱特兄
弟所造飞机的机翼是在枞木架上蒙上涂漆的亚麻布制成，因此弹性很大(为提高其
强度还加有许多拉杆)，也正因为如此，才可以允许机翼发生弯曲变形。这种变形
有点像手拿一块薄木板将其两端向相反方向扭转产生的变形效果一样，足以控制飞
机在3个轴向上的运动。

　　动力强劲的喷气机

　　莱特兄弟的“飞行者”1号包括飞行员在内总重量为360公斤，12马力(1马力
=735瓦)发动机可让它在空中飞行12秒钟，飞行高度3米，飞行距离36米。今天，一
架波音747珍宝机的起飞质量为394235公斤，可承载420名乘客和18名机组人员。它
的四台喷气式发动机的总功率为219600马力，可使飞机在满负荷的情况下达到1万
米的飞行高度，它能以948公里的巡航时速飞行15400公里。第一架波音珍宝机于
1969年2月正式飞行。此前，人类历史上从来没有任何一项发明曾经历过如此迅速
的发展(从莱特兄弟的飞机到波音珍宝机只用了63年)，这项纪录后来只被信息技术
的突飞猛进所打破。飞机性能不同寻常的快速发展与综合地运用大量技术有着密切
的关系，这些技术涉及到应用于机翼和机舵结构的合金冶炼技术，用于控制机舱和
飞行的电子技术以及很快让民用飞机突破音障的发动机技术。还是在第一次世界大
战时，飞机就从疯狂的飞行爱好者们的试验品变为得到广泛应用的实用产品。
1914年，只有少量飞机的有效负载超过140公斤，到1918年，由于发动机的功率从
100马力提升到了400马力，这一数值就已超过了2吨。其他方面的一些改善还体现
在以高强度的金属结构取代木材以及1920年发明可回缩的起落架。1927年，由查尔
斯·林白(Charles Lindbergh)首次完成不间断跨越大西洋的飞行之后，飞行技术
的进步一日千里，客运航空公司也应运而生。这些公司开始使用的是巨形氢气球，
后来是只能在大陆上降落的飞机，但那时从罗马飞到纽约仍要停5站。飞行速度的
巨大变化体现在喷气发动机的到来上，第一架民用喷气式飞机是英国的“彗星”
(Comet)飞机，随后是法国的“快帆”(Caravelle)小型双引擎飞机，接着是美国的
大型四发动机飞机波音707和麦道8飞机，它们使世界缩小为一个地球村。

　　高性能的发动机

　　飞机的发动机主要分为两大类型：活塞式和喷气式。这两种发动机都有一个共
同的工作原理：吸入空气，将空气进行压缩，消耗燃料。因此，它们都要利用高压
热气体膨胀时产生的力，然后再将这种力分为两种不同的方式加以运用。对于活塞
式发动机而言，膨胀力驱动活塞后被转化为旋转力，用以最终推动螺旋桨的转动；
对于喷气式发动机而言，燃烧后的气体直接送至喷气口以产生推力。由于这种力来
自于喷出气体与吸入气体之间速度的差异，因此，喷气式发动机的效率要高于活塞
式发动机。

　　为了提高喷气发动机的推力，需要提高所喷气体的速度或者增加排气量。军用
超音速飞机如高性能歼击机采用的是前一种系统，通过一个“后燃烧器”在燃烧室
后面再次注入燃料。而大型民用亚音速喷气机则采用风扇式涡轮发动机(见本页大
图)，这种发动机的前部有一个大型的前置风扇，其直径大约为发动机机身的两倍
，它不仅向发动机的空气压缩机输送空气，还在发动机的外围产生增加总推力的次
级外部气流。与后燃烧器系统相比，涡轮风扇发动机的油耗与噪音都明显要低。还
有一种将螺旋桨发动机与喷气发动机合二为一的涡轮螺旋桨发动机，在这种发动机
上，与喷气发动机完全相同的涡轮通过一系列的齿轮使得涡轮的高速转动带动螺旋
桨低速转动，在这种情况下，发动机90%的推力来自于螺旋桨，10%来自于从涡轮排
出的气体。

　　协和客机开辟了超音速时代

　　尽管英法两国的协和式客机因2000年7月25日的事故而被迫停飞，但这些可以
使到达纽约时间比出发地巴黎的时间还早3小时(因为时差的关系)的银灰色庞然大
物魅力犹存。25年来，英法的这种超音速客机每次都可以让100名普通乘客感觉到
歼击机飞行员的快意，尽管这种以2.2倍音速飞行的代价昂贵(欧洲—美国的往返全
额票价约合1.8万美元)，而且还有诸多不适：机舱狭窄(在走廊里只能勉强直立)、
噪声震耳欲聋(要想跟邻座的人讲话必须高声大喊)、几乎看不见窗外的风景(机窗
仅有香烟盒大小)。

　　协和客机长61.6米，宽只有2.9米，三角翼的宽度只有25.5米，它由四台带后
燃烧器的发动机推动，可在15～18公里的飞行高度上达到2150公里的巡航时速，用
11.95万升煤油可飞行6000公里。除了它创纪录的最大飞行速度之外，其起飞和降
落速度也很高，分别为402公里/小时和300公里/小时。此外，协和客机还有一套特
殊的三角翼外形控制系统，实际上它没有传统上被侧翼分开的下摆翼，每个翼片上
只有一体化的“提升翼”。

　　协和式客机于1969年3月2日进行了第一次飞行，但它并不是世界上第一架民用
超音速飞机，这一纪录的创造者是1968年12月31日起飞的前苏联图—144飞机，不
过后者因其昂贵的造价和极低的可靠性从未进行商业飞行。而协和式客机于1975年
投入使用，但从商业角度而言却不走运：美国的飞机制造商们以其噪声和污染为由
，最终让政府禁止其在跨大西洋航路中最赚钱的航线上飞行，原计划要制造的100
架协和客机最终只造出了18架。2000年7月25日，法航的一架协和客机在巴黎失事
，导致100多人死亡，这一事故最终使它成为历史。

　　2003年10月24日格林尼治时间12点38分，英国航空公司002号协和式客机开始
了服役27年后的最后一次商业飞行。当日，数千人来到伦敦希斯罗机场，最后一睹
协和客机在机场降落时的情景。

　　未来超音速客机的重重障碍

　　造出一架可继承协和式客机衣钵的民用超音速飞机可不是一件易事。

　　今天像协和式客机这样的飞机不会太受商业飞行市场的欢迎，这是因为它的载
客量太小、噪音太大、油耗过高。世界两大飞机制造公司波音(Boeing)和空中客车
公司(Airbus)都在半秘密地进行这类项目的研究工作。

　　新型的超音速客机应该具备以下基本特点：有300个以上座位，速度可达2.4马
赫(即2.4倍音速)，飞行距离可达9000公里以上。

　　但是要求解决的技术问题却很多。一架超音速客机需要重量轻但能抵抗与空气
摩擦时所产生高温的材料，为降低油耗，机翼必须很薄但其强度应能适应高速起飞
降落的冲击；发动机的功率必须很大，可以长时间以2马赫的巡航速度运行，同时
其噪声要降低到合理程度，燃油的效率要高，不会产生有损于大气臭氧层的氮氧化
物。

　　为了研究所有这些课题，法国组建了超音速指导委员会(COS)，它由大学和实
验室的研究人员以及工业界代表组成。

　　为了开发协和客机的后继机型(目前仅用缩写ATSF即“未来超音速飞机”来命
名它)，人们确定出了需要在两年内解决的18个关键问题。研究的结果必须确定具
有下述基本性能的超音速客机所需要的技术：可搭载250名乘客，起飞质量为340吨
，飞行距离为1万公里。由于协和客机中所运用的技术都无法满足上述要求，仍需
要研究未来的技术，其中涉及的主要问题有：结构研究(在2马赫时机身的温度达到
100℃)，飞机的空气动力学和降低油耗的发动机(如对燃烧室进行冷却)，飞行员的
人工观察系统(即不再需要机窗，将外部的情况直接显示在屏幕上，以避免出现阻
力过大的机首)，模块化的发动机以便适应起飞和巡航时的不同特点(发动机的工作
流程尚待确定)，消除目前迫使飞机只能在大西洋上空达到超音速的“巨响”(但目
前还没有任何解决方案)，最后还要降低对大气层的污染。

　　组合式高性能发动机

　　最适合于下一代超音速客机的发动机是所谓的冲压喷气发动机，这是一种极为
简单的发动机。其内部没有任何运动的部件，即没有涡轮、压缩机和传动轴。

　　但这种发动机的局限性在于它要从其前部的进气口吸入大量的空气，因此，当
飞机静止时它是无法工作的。这种发动机只有在飞机达到超音速的状态时才能使用
，因而需要有另一个传统的喷气发动机使飞机起飞并达到高速飞行状态。这类发动
机最早曾被另一架飞机带到高空再用火箭推进系统加速到高速状态的飞行器上试验
过，目前被安装在一些导弹上。

　　由于冲压喷气发动机的机械结构非常简单，因此可以将其与传统的涡轮喷气发
动机或者风扇喷气发动机组合为一体，制成涡轮冲压喷气发动机。事实上，冲压喷
气发动机主要由一根长管制成，空气从其一端进入，发动机内一系列喷射燃料的燃
烧器将空气加热后再从另一端的喷嘴将气体喷出，喷嘴的直径只有进气口的一半。
能让这种发动机发挥更高效率的燃料是液态氢，但这种物质极易爆炸，必须将其贮
存在温度极低的容器中。

　　2001年，美国国家航空航天局(NASA)的德列登(Dryden)飞行研究中心对一台这
种类型的发动机进行试验，以进行新型空天飞机的研究工作。装有这台发动机的超
音速飞机被命名为X-43，其最高时速有可能达到1.1万公里。但2001年6月2日，美
国的X-43试飞失败，该机在半空中被毁，产生的碎片落入太平洋东部海域的清洁地
带。据报道，NASA的新型空天飞机——X-43B将于2010年前试飞。未来20年还将开
发该系列其他型号的可重复使用的空天飞机。

　　由微型飞机公司(Micro Craft)制造的原型机长度为3米，试验飞行时没有飞行
员。这是美国航空航天局20年的研究成果，它基于一种被称为超音速燃烧冲压喷气
发动机(SCRAMJET，Supersonic Combustible Ramjet)的新型技术。

　　依靠这一技术，一台冲压喷气发动机可以借助超音速燃烧产生推力，这也意味
着燃烧的气体速度在发动机内就已经超过了音速。 

 

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