固定翼飞机(Fixed-wing plane)简称为飞机(英语:Plane),是指由动力装置产生前进的推力或拉力,由机身的固定机翼产生升力,在大气层内飞行的重于空气的航空器。
目前民航客机都属于固定翼飞机。国内外市场上的固定翼飞机模型多为单翼、双翼飞机。
今天我们就来聊一聊固定翼飞机的诞生和发展,还有其中的一部分明星机型。
诞生莱特兄弟被后世视为动力飞行之父,其实他们最大的成就是开发了一套可以安全地平衡和操纵飞行器的操控系统。
威尔伯·莱特操纵滑翔机右转从1900年到1902年,莱特兄弟设计并试飞了一系列滑翔机,借此寻求解决飞行中偏航、俯仰和翻滚问题的方法,他们用垂直舵和水平舵解决了前两个问题,而真正的创新是他们解决翻滚问题的方法。
哥哥威尔伯注意到,鸟儿在飞行中转向时会扭动翅膀,身体向转向方向倾斜,莱特兄弟由此得到灵感,通过用线缆控制机翼上的框架和织物蒙皮,让两侧产生不同升力从而实现了平稳转向。
到1902年10月底,莱特兄弟在基蒂霍克已经完成了近千次试飞,直到他们确信自己能够完全掌控飞机的飞行轨迹,这才开始把发动机装进滑翔机里。
1903年12月17日,威尔伯·莱特和奥维尔·莱特发明的固定翼动力飞机在北卡罗来纳州基蒂霍克的沙丘地带真正实现了人类千百年来的飞行梦想。
这是人类历史上第一架能够自由飞行 ,并且完全可以操纵的动力飞机。
双翼机时代
双翼飞机有两个翼面,机翼总面积较大。在飞机发展初期,发动机功率低、重量大,建造机体的材料大多是木材和蒙布。为了在低速度条件下产生足够的升力,需要较大面积的机翼,以便在低速条件下能够顺利升空。
在第一次世界大战中,飞机正式进入了军事领域,战争的需要对航空技术的发展起到了很大的推动作用。
但是,随着飞机速度的不断提高,双翼飞机机翼及支柱的阻力越来越大,成为提高速度的主要障碍。自从高强度铝合金问世后,人们已有可能制造出结构重量不太大而又能承受大载荷的薄机翼。
所以从20世纪30年代起,双翼飞机逐渐被单翼飞机取代。在现代的飞机中,除对载重量和低速性能有特殊要求的小型飞机外,双翼飞机已不多见。
二十年代中期,寇蒂斯和波音两家公司成为当时美国主要战斗机的生产厂商。像Hawk飞机和P-40战鹰等都是他们研发的,波音也生产出第一种星型气冷式发动机的双翼战斗机P-12。
后来随着金属加工工艺的进步,又改良采用了全金属的硬壳式机身,改用了气动外形和冷却效果都更佳的环形发动机整流罩,使速度达到306公里/小时,它与第一代双翼机比有了质的飞跃,也迎来了双翼战斗机史上的里程碑。
莱特兄弟之后的多翼飞机
人们吸取桥梁建造方面的经验,把上下机翼通过支柱和张线联成一个桁架梁,增加结构受力刚度,以提高双翼机机翼强度,减轻结构重量,这些优点使双翼机成为早期飞机的主要型式。
出于强度和耐用性的考虑,双翼机甚至三翼机依然是设计飞机的主流思想。在一战的空中战场,就是多翼机角逐厮杀的阵地。
单翼螺旋桨时代
单从结构设计概念讲,单翼飞机几乎和双翼或者三翼飞机是一起发明的,由路易·布莱里奥(Louis Bleriot)和雷蒙·索尼耶(Raymond Saulnier)设计的布莱里奥十一型(Bleriot Model XI)就是其中一个著名的例子。
布莱里奥十一型这架飞机首飞于1909年1月,最高速度每小时87.04公里,安装一具25马力、3汽缸、气冷式星型发动机,衍架式木质机身的左右两侧局部覆盖着粗棉布。
同时期法国和德国还出现了多种外型类似的单翼机,德国的福克E-Ⅲ单翼机(Fokker E-Ⅲ)因安装了世界独创的“射击协调器”而在战场上声名大噪,甚至引发了空战史上所谓的“福克灾难”。
1919年,容克斯把J.10的经验融入单发民用机F.13的设计里。这是最早出现的低单翼布局全金属单发活塞式小型民用飞机,但它更是航空史上第一种专门设计制造的旅客机,也是完完全全采用波纹蒙皮的早期飞机之一,可乘坐2名机组和4名乘客,时速167公里,到1932年底共生产了三百多架。
容克斯F.13——世界最早的民用飞机
第一架全金属,具备一切现代民航客机(除螺旋桨发动机外)特点的商用单翼机是1930年波音公司的单发邮政机,波音以这架飞机为基础在1931年为美国陆军航空部研制了双发动机轰炸机的原型机YB-9。
涂有联合航空公司标志的波音 monomail 邮政飞机1933年2月首飞的B-247。是第一架完整纳入全金属的半硬壳结构,全悬臂机翼及可收放起落架等先进技术的飞机,其他先进技术包括控制面的调整片、自动导航系统、机翼及尾翼上的除冰器,这架飞机只凭一台发动机也能飞行和爬升。也就是说B-247是第一架“现代化”的民航机,之后的每一种民航机都是在模仿它的特点。
B-247
在波音247大受欢迎,供不应求之际,道格拉斯公司乘势推出了DC系列飞机,1935年推出的DC-3成为了一个时代的经典。
DC-3划时代的成功,归功于同时采用了可收放式起落架、NACA设计的发动机罩、襟翼(B-247没有襟翼)、高效率增压发动机、变距螺旋桨等先进技术。DC-3机翼内有三根主梁而非常见的两根,增加了机翼的耐用度,使得飞机结构具有安全性损坏特性,疲劳寿命很长。可以这么说:DC-3之后的飞机和DC-3之间只有细节的差异,基本设计理念没什么不同。
后来德国人以亨克尔He一70快速民用机的布局为参考,研制出海鸥翼型、起落架收人机翼内的张臂式下单翼He-112战斗机。成为当时世界上第一架批量生产的实用型单翼战斗机。
由于受到技术水平的限制,在二十世纪四十年代之前,人类生产的几乎所有的飞机均为螺旋桨式飞机,而在三十年代到四十年代之间,单翼螺旋桨飞机一直占据着主导位置。
喷气式时代
从世界上第一架飞机诞生之日起,提高飞行速度、飞行高度和载重量就一直是人们研制新飞机所追逐的目标,但是到了20世纪30年代,飞机的速度一直徘徊在每小时700千米左右,这差不多是装有活塞式发动机和螺旋桨的飞机的极限,用苏联著名飞机设计师雅科夫列夫的话说,已经到了“山穷水尽”的地步了。喷气时代的来临,使飞机的发展“柳暗花明”。喷气时代的标志,便是涡轮喷气式发动机作为新型动力装置的诞生。 随着人类科技的进步,发动机技术水平也在不断提高着,到了二十世纪四十年代,喷气式飞机开始崭露头角,喷气式飞机所使用的喷气发动机靠燃料燃烧时产生的气体向后高速喷射的反冲作用使飞机向前飞行,它可使飞机获得更大的推力,飞得更快。
涡轮喷气发动机的原理是:空气从飞机进气道进入发动机,先经压气机压缩后进入燃烧室与燃料混合燃烧;膨胀的燃气进入涡轮并推动其旋转,使与涡轮同轴的压气机工作;从涡轮流出的燃气经尾喷管膨胀后向后高速喷出,从而产生巨大的反作用力推动飞机前进。当装有冯·奥亨研制的Hes3B涡轮喷气发动机的He178飞机于1939年8月27日首次试飞成功时,标志着喷气式飞机开始扮演重要角色。
喷气式飞机是使用喷气发动机作为推进力来源的飞机。它在很多方面上有着很多让螺旋桨式飞机望尘莫及的优点,尤其是有更大的速度和升限。更大的推动力也使其能获得更大的空重和机动能力。
所以二十世纪四十年代至今,喷气式飞机无时无刻不出现在人们的视野中。时至今日,当年限制喷气机发展的诸多因素已然一一被克服,未来半个世纪内仍能统治天空。
下期我们继续聊聊喷气机时代各阶段的明星机型!
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