飛機(jī)是如何飛起來(lái)的?詳細(xì)飛機(jī)的飛行原理

不知道大家有沒(méi)有這樣的疑惑：飛機(jī)這樣的龐然大物是如何能夠從地面飛到空中，并且航行很長(zhǎng)的距離，負(fù)重那么多也能像在平地一樣？下面，我們就用gif動(dòng)圖為大家解剖飛機(jī)飛行的大秘密！

大多數(shù)飛機(jī)由五個(gè)主要部分組成：機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、起落裝置和動(dòng)力裝置，飛機(jī)的飛行要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是上升；二是前進(jìn)，前進(jìn)靠的是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向前牽引力或是噴氣產(chǎn)生的向前推力。 上升是根據(jù)伯努利原理，即流體（包括氣流和水流）的流速越大，其壓強(qiáng)越小；流速越小，其壓強(qiáng)越大。還有，升力和迎角等都有很大關(guān)系。

氣流流過(guò)的壓力差產(chǎn)生了升力

飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的三軸簡(jiǎn)化，俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航

↓↓滾轉(zhuǎn)是副翼控制↓↓

↓↓俯仰運(yùn)動(dòng)靠升降舵控制↓↓

↓↓偏航運(yùn)動(dòng)靠方向舵控制↓↓

平衡分析（對(duì)單旋翼式）

（1）直升飛機(jī)的大螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力平衡重力。

直升飛機(jī)的槳葉大概有2—3米長(zhǎng)，一般有5葉組成。普通飛機(jī)是靠翅膀產(chǎn)生升力起飛的，而直升飛機(jī)是靠螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，撥動(dòng)空氣產(chǎn)生升力的。直升飛機(jī)起飛時(shí)，螺旋槳越轉(zhuǎn)越快，產(chǎn)生的升力也越來(lái)越大，當(dāng)升力比飛機(jī)的重量還大時(shí)，飛機(jī)就起飛了。在飛行中飛行員調(diào)節(jié)高度時(shí)，就只要通過(guò)改變大螺旋槳旋轉(zhuǎn)的速度就可以了。

（2）直升飛機(jī)的橫向穩(wěn)定。

因?yàn)橹鄙w機(jī)如果只有大螺旋槳旋，那么根據(jù)動(dòng)量守衡，機(jī)身就也會(huì)旋轉(zhuǎn)，因此直升飛機(jī)就必須要一個(gè)能夠阻止機(jī)身旋轉(zhuǎn)的裝置。而飛機(jī)尾部側(cè)面的小型螺旋槳就是起到這個(gè)作用，飛機(jī)的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或保持穩(wěn)定航向都是靠它來(lái)完成的。同時(shí)為了不使尾槳碰到旋翼，就必須把直升飛機(jī)的機(jī)身加長(zhǎng)，所以，直升飛機(jī)有一個(gè)像蜻蜓式的長(zhǎng)尾巴。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)：提供飛機(jī)前進(jìn)的動(dòng)力

▲星型發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖，在其他更先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)之前

大型飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)常采用星型設(shè)計(jì)

▲星型發(fā)動(dòng)機(jī)屬于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的一種

早在1903年，星型發(fā)動(dòng)機(jī)就用在了飛機(jī)上

▲渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其歷史也很悠久

1937年，世界上第一個(gè)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)就開(kāi)始運(yùn)行了

▲從大的方面看，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)由5個(gè)結(jié)構(gòu)組成

空氣從進(jìn)氣道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后，首先被高速運(yùn)轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)壓縮，產(chǎn)生高壓致密空氣以提供大量氧氣，燃燒室噴油燃燒，向后沖擊渦輪機(jī)，而渦輪機(jī)又帶動(dòng)前面的的壓氣機(jī)，燃?xì)饬鲝膰娍趪姵霎a(chǎn)生推力。

▲渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

很容易就能發(fā)現(xiàn)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)兩者之間的區(qū)別。渦噴只有一個(gè)空氣通道，專業(yè)上叫做“涵道”，而渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)卻有兩個(gè)空氣通道。也就是說(shuō)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)是單涵道發(fā)動(dòng)機(jī)，而渦扇是雙涵道發(fā)動(dòng)機(jī)。

▲發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，外涵道與內(nèi)涵道空氣流量的比值叫做涵道比

規(guī)律是，涵道比越大越省油，經(jīng)濟(jì)性越好，高涵道比的發(fā)動(dòng)機(jī)在亞音速時(shí)有非常好的能效，所以它廣泛地運(yùn)用于客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等。

▲高涵道比的發(fā)動(dòng)機(jī)，主要推力不是來(lái)自于向后噴出的高溫燃?xì)?，而是?lái)自于外涵道高速向后噴出的空氣

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)也大多采用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，只是，為了追求高空的超音速性能，使用低涵道比的發(fā)動(dòng)機(jī)。

▲美國(guó)F22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)使用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，涵道比很低，只有0.3：1

▲渦輪螺旋槳噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的本質(zhì)類似于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)接上一個(gè)減速器，并帶動(dòng)外部的螺旋槳

▲中國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的水陸兩棲飛機(jī)蛟龍-600，采用國(guó)產(chǎn)WJ-6渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)

目前，蛟龍-600是世界上最大的水陸兩用飛機(jī)，于2016年7月23日總裝下線。

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)通常用在小型或低速的亞音速飛機(jī)上。但也有例外，俄羅斯的圖-95戰(zhàn)略轟炸蛟龍-600機(jī)使用的NK-12MV型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，讓其達(dá)到925公里每小時(shí)的高速，接近音速。

▲俄羅斯的圖-95戰(zhàn)略轟炸機(jī)

▲每一個(gè)NK-12MV型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)上有8個(gè)葉片，前后葉片采取同軸反轉(zhuǎn)的模式

▲同軸反轉(zhuǎn)示意圖

▲安-70運(yùn)輸機(jī)上的D-27漿扇發(fā)動(dòng)機(jī)

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率通常高于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，但它也不是盡善盡美，原因之一是，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)上多了一個(gè)減速器，也就是變速齒輪。

變速齒輪的存在一是增加了發(fā)動(dòng)機(jī)重量，二是多少會(huì)帶來(lái)一些功率上的損耗。

為此，有的國(guó)家研制一種不需要變速齒輪的發(fā)動(dòng)機(jī)，它就是槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)。由于和渦輪之間沒(méi)有減速器，槳扇的螺旋槳轉(zhuǎn)速非常高，帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是燃料效率進(jìn)一步提高，而缺點(diǎn)是噪音大，難以運(yùn)用于追求舒適性的客機(jī)上。目前，只有安-70運(yùn)輸機(jī)使用漿扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

▲“安-70”運(yùn)輸機(jī)由烏克蘭與俄羅斯共同研制開(kāi)發(fā)，于1994年12月6日首飛

“安-70”的發(fā)動(dòng)機(jī)，其葉片為前置，還有另一種槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其葉片為后置，這就是通用電氣早些年進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)GE36。

▲GE36槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)

▲GE36槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖

▲實(shí)驗(yàn)中的GE36，表現(xiàn)出了非常低的燃料消耗，但同樣還是因?yàn)樵胍舸蟮膯?wèn)題，它沒(méi)有被使用在任何飛機(jī)上

▲渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)并非如此簡(jiǎn)單，但您可以借此理解其本質(zhì)

渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，顧名思義，它是通過(guò)“軸”來(lái)傳輸動(dòng)力。直升機(jī)、坦克、船舶上都有使用。

▲ch-47支奴干直升機(jī)上的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)

無(wú)論是上文提到的渦噴還是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，它們的前部都有一個(gè)“壓氣機(jī)”，這可是個(gè)大塊頭，要是能把它去掉就太好了。問(wèn)題是，沒(méi)有了壓氣機(jī)，怎么壓縮空氣？

飛行器飛得越快，迎面而來(lái)的空氣就越快，當(dāng)快到幾倍音速時(shí)，空氣自然就得到了壓縮。高壓空氣進(jìn)入燃燒室，混入燃油，劇烈燃燒并向后高速噴出以得到動(dòng)力。這就是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的原理。

▲圖中的（a）代表傳統(tǒng)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)很復(fù)雜而（b）代表沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；（c）表示超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

羅爾斯·羅伊斯早年的“雷神”沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)一般用在導(dǎo)彈和高超音速飛行器上：

SR-71黑鳥(niǎo)

J58引擎

目前成功使用的例子是美國(guó)的超高音速偵察機(jī)SR-71“黑鳥(niǎo)”，黑鳥(niǎo)最高可達(dá)3.5-3.7倍音速，在3倍音速的狀態(tài)下，它的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)，改變?yōu)闆_壓發(fā)動(dòng)機(jī)模式運(yùn)行，即低速使用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，高速時(shí)轉(zhuǎn)為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

如此高的飛行速度使得黑鳥(niǎo)保持了一項(xiàng)引以自豪的紀(jì)錄——從未在執(zhí)行任務(wù)中被擊落。終其一生，SR-71總共躲過(guò)4000余枚空空導(dǎo)彈和地空導(dǎo)彈，其中甚至包括以色列所發(fā)射的導(dǎo)彈。由于高度機(jī)密，連當(dāng)時(shí)美國(guó)最鐵的盟友以色列都不清楚SR-71的存在，誤把其當(dāng)作敵機(jī)進(jìn)行了攻擊。時(shí)至今日，SR-71仍然有許多數(shù)據(jù)和任務(wù)尚未解密，這只黑鳥(niǎo)或許會(huì)和其試飛地51區(qū)一樣永遠(yuǎn)保留著些許謎團(tuán)。