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第5章 飞机引领人类进入飞行时代(2)

了解了上面的知识,我们便很容易理解为什么飞机在起飞前一定要沿着跑道滑行。当飞机滑行时,空气飞快地流过机翼和机身的表面,当飞机滑跑的速度越来越快时,空气流动的速度也就越快。如果飞机滑跑的速度超过某一速度,空气作用在机翼上的升力正好等于整个飞机的重量时,飞机就可以顺利地上天了。

我们也可以知道,原来说流过弯弯的拱形面时,上面的气流快,下面的气流慢,这样正好产生了升力。正是利用这一原理,飞机设计师总是要将飞机的机翼做成前面稍向下弯,后面装上可以活动的襟翼,这样飞机起飞时,只要将襟翼放下来,使两个机翼弯曲得更厉害,便会产生更大的升力了。当然不是越弯越好,这里面有很多复杂的学问,只有进行专门的研究才会清楚,这里就不详细介绍了。

知识点飞机滑跑与起飞速度

普通飞机在起飞的时候都要沿着跑道滑跑一段时间,以达到起飞速度。我们已经知道,飞机起飞一定要克服重力,那么它所需要的升力L至少要等于重力才能起飞。飞机起飞时所需的升力公式为:L=0.5×ρ×v2×S×C1,ρ为空气密度,v为飞机与空气的相对速度,S为机翼面积,C1为升力系数。

因此,有变形如下:v2=2L/ρ×S×C1=2G/ρ×S×C1。确定了一架飞机的起飞重量G,即可确定该飞机的起飞速度。

观察公式可发现,飞机的起飞速度与起飞重量、空气密度有关(因为型号确定,机翼面积和升力系数即确定,可视为常数)。因此,同一种型号的飞机,装载不同,起飞机场不同,实际的起飞速度也是不一样的。实际中,飞机最小起飞速度一般是220~300千米/小时,目前有些型号的战斗机起飞速度也就是215千米/小时。

飞机的设计与制造流程

在莱特兄弟制造飞机的20世纪初,人类制造飞机是无章可循的,那时人类正处在对飞行器设计的探索阶段,如何设计飞机,怎样制造飞机都凭人的直觉和经验,怎样设计和制造最科学,设计师们几乎一无所知。莱特兄弟的第一架飞机不就是将本该放在飞机尾部的升降舵设计在飞机的头部了吗?随着人类设计飞机的经验越来越丰富,飞机的设计和制造形成了一套几乎不变的程序,人们将积累的设计经验和用生命换来的教训写进飞机设计书中,让后人少走弯路。

现代飞机,无论是战斗机、轰炸机等军用飞机,还是民航客机、运输机,它们的设计制造过程几乎是相同的。

首先是飞机的用户提出对飞机的性能要求。比方说,要制造一架战斗机,空军的有关部门就应该提出战斗机的性能要求,如飞机的速度、每分钟可以爬升多少米、起飞距离、最大航程、最小的转弯半径,能够针对别国某种型号的战斗机进行有效的空中格斗等等,设计部门根据这些要求,开始着手设计方案;一旦这种设计方案完成,就开始下一阶段的风洞实验。

在介绍这种实验之前,我们先讲讲风洞为何物。大家知道,飞机在天上飞行,空气基本上是静止的,而飞行员则感觉有大风迎面扑来,飞行越快,风也就越大。人们在设计和制造飞机时,就利用了这种相对运动的原理,建立了专门的实验设备,它能够在一个管道内产生一股一定速度的气流,这种气流可以达到声音传播速度的好几倍,将设计方案中的飞机做成一定比例大小的模型,放在这种管道内,利用一些特殊的设备,测量模型上受到的气流对它的作用力(如升力、阻力),这种实验设备被人们称作风洞。飞机的模型固定在风洞内,气流迎面吹来,就像飞机在空中飞行一样。

经过风洞实验以后,根据收集到的数据,对方案进行修改,直至达到满意的程度为止。

现代计算机的计算速度和数据存贮量都很大,可以通过数学方程的求解计算,知道设计方案中飞机的受力情况进行修改,可以减少昂贵的风洞实验次数,降低设计飞机的费用。

一旦外形确定以后,就可以规划飞机内部的装置和结构,做出几架样机来,利用这几架样机再进行以下几项实验:

将样机放在飞机场的振动架上模拟飞行时的振动情况,日夜不停地进行振动实验,看看飞机的牢固程度。另外还做一些冲击实验,重压和牵拉实验来看看飞机到底能承受多大的破坏能力。

另外对一些样机进行试飞实验来检验它的飞行性能和稳定性能,不断修改,直到能使飞机驾驶员感到驾驶方便为止。

在所有的实验完成以后,由用户来进行验收,在用户认为符合最初提出的性能要求以后,飞机才算正式定型,开始批量生产,投放市场或者装备空军使用。

知识点运动与静止

运动是指宇宙中发生的一切变化和过程,既包括保持客体性质、结构和功能的量变,也包括改变客体性质、结构和功能的质变。运动不是以物质外部附加给物质的可有可无的性质,而是物质本身固有的内在矛盾决定的不可缺少的性质和存在方式。运动和物质不可分离。“没有运动的物质和没有物质的运动是同样不可想象的”,也就是说,运动是绝对的。

静止是从一定的关系上考察运动时,运动表现出来的特殊情况,是相对的、有条件的。例如地面上的建筑物就其对地面没有做机械运动这一点而言是静止的。但是这种静止仅仅是从一定的“参考系”看来才是如此,从别的“参考系”看来又是运动的,如建筑物随地面一起围绕着太阳运转,又随太阳系一起在银河系中运转。

蜂窝结构给人类的启示

如果你有机会,可以去仔细观察一下蜜蜂的蜂窝,它的构造令人非常惊叹:它异常精巧,由无数个大小相同的房孔组成,每个房孔的一面都是正六边形,就好像照着图纸施工出来似的,整个房孔是一个正六面体,也就是说它的每个面都是正六面体。两个蜂房之间隔着一堵蜂蜡做成的墙。更奇怪的是,世界上无论哪里的蜜蜂,它们筑造的蜂窝都具有相同的结构。

蜜蜂窝结构蜂窝的结构最开始只引起科学家的注意,他们用数学的方法证明了蜜蜂的“聪明才智”。蜜蜂用最少的蜂蜡造成了最大的空间房子,而且结构牢固。后来,蜂窝身体的这种奇妙结构也引起飞行器设计师们的注意。

人们在设计飞行器时,总希望飞行器本身的结构轻一点,这样可以装载更多的东西,比如人员、武器和燃料,但同时又要保证飞行器必须是结实牢固的。飞行器设计师们为解决这一对矛盾煞费苦心,真是“斤斤计较,两两计较”。你可知道,要想让1千克的物体达到第一宇宙速度,也就是说达到每秒钟飞行9.71千米的速度,所需要的能量相当于把1000袋水泥搬运到20层高的大楼上所需要的能量。就目前人类达到的航天技术而言,如果发射一颗1吨重的卫星,需要一枚50~100吨的运载火箭来发射升空,也就是说,每减少1千克卫星的重量,运载它的火箭就可以减轻500千克。由此可见,减轻飞行器的重量有多么重要。人们从蜂窝的结构上找到了解决这一问题的答案。

在制造飞机机翼、航天飞机和火箭时,人们用金属、玻璃纤维或复合材料做成蜂窝状的格孔,再用2枚金属板夹接起来,就成了具有蜂窝结构的飞行器部件。这样加工出来的飞行器部件,结构轻,又具有很牢固的结构强度,不容易传热,又有很好的隔音效果。

如果你想试试这种结构的奇妙之处,不妨用硬纸板做一块具有蜂窝结构的模型,试试它的牢固、隔音程度。

知识点仿生学

模仿蜂窝结构来完善飞行器的部件是在仿生学的基础上实现的。所谓的仿生学,就是指模仿生物建造技术装置的科学,它是在20世纪中期才出现的一门新的边缘科学。

仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理,并将这些原理移植于工程技术之中,发明性能优越的仪器、装置和机器,创造新技术。从仿生学的诞生、发展,到现在短短几十年的时间内,它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路,也就是向生物界索取蓝图的道路,它大大开阔了人们的眼界,显示了极强的生命力。

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