飛機的原理及飛行性能介紹

速度性能

   最大平飛速度：是指飛機在一定的高度上作水平飛行時，發動機以最大推力工作所能達到的最大飛行速度，通常簡稱為最大速度。這是衡量飛機性能的一個重要指標。

   最小平飛速度：是指飛機在一定的飛行高度上維持飛機定常水平飛行的最小速度。飛機的最小平飛速度越小，它的起飛、著陸和盤旋性能就越好。

巡航速度：是指發動機在每公里消耗燃油最少的情況下飛機的飛行速度。這個速度一般為飛機最大平飛速度的70%～80%，巡航速度狀態的飛行最經濟而且飛機的航程最大。這是衡量遠程轟炸機和運輸機性能的一個重要指標。

當飛機以最大平飛速度飛行時，此時發動機的油門開到最大，若飛行時間太長就會導致發動機的損壞，而且消耗的燃油太多，所以一般只是在戰鬥中使用，而飛機作長途飛行時都是使用巡航速度。

高度性能

   最大爬升率：是指飛機在單位時間內所能上升的最大高度。爬升率的大小主要取決與發動機推力的大小。當殲擊機的最大爬升率較高時，就可以在戰鬥中迅速提升到有利的高度，對敵機實施攻擊，因此最大爬升率是衡量殲擊機性能的重要指標之一。

理論升限：是指飛機能進行平飛的最大飛行高度，此時爬升率為零。由於達到這一高度所需的時間為無窮大，故稱為理論升限。

實用升限：是指飛機在爬升率為5m/s時所對應的飛行高度。升限對於轟炸機和偵察機來說有相當重要的意義，飛得越高就越安全。

飛行距離

   航程：是指飛機在不加油的情況下所能達到的最遠水平飛行距離，發動機的耗油率是決定飛機航程的主要因素。在一定的裝載條件下，飛機的航程越大，經濟性就越好（對民用飛機），作戰性能就更優越（對軍用飛機）。

活動半徑：對軍用飛機也叫作戰半徑，是指飛機由機場起飛，到達某一空中位置，並完成一定任務（如空戰、投彈等）后返回原機場所能達到的最遠單程距離。飛機的活動半徑略小於其航程的一半，這一指標直接構成了殲擊機的戰鬥性能。

續航時間：是指飛機耗盡其可用燃料所能持續飛行的時間。這一性能指標對於海上巡邏機和反潛機十分重要，飛得越久就意味著能更好地完成巡邏和搜索任務。

飛機起飛著陸的性能優劣主要是看飛機在起飛和著陸時滑跑距離的長短，距離越短則性能優越。

失　速

   我們知道，機翼能夠產生升力是因為機翼上下存在著壓力差。但是這是有前提條件的，就是要保證上翼面的的氣流不分離。

當機翼的迎角較小時，在相同的時間裡氣流繞過上翼面所通過的路程比流過下翼面的路程長，所以上翼面的氣流速度比下翼面的快，由於氣流的速度越快壓力就越低，因而產生了上下翼面的壓力差。

但是如果機翼的迎角大到了一定程度，靠近機翼翼面附近的氣流在繞過上翼面時，由於自身粘性的作用，流速會減慢，甚至減慢到零，而上游尚未減速的氣流仍然源源不斷地流過來，減速了的氣流就成為了阻礙，最後氣流就不可能再沿著機翼表面流動了，它將從表面抬起進入外層的繞流，這就叫做邊界層分離。當氣流從機翼表面抬起時，受外層氣流的帶動，向後下方流動，最後就會捲成一個封閉的渦，叫做分離渦。像這樣旋轉的渦中的壓力是不變的，它的壓力等於渦上方的氣流的壓力。而渦上方的氣流流線彎曲程度並不大，所以其壓力與下翼面的壓力相比小不了多少，這樣機翼的升力就比原來減小了。這種情況就叫作失速，對應的機翼迎角叫做失速迎角或臨界迎角。

如果我們給出機翼的升力係數和機翼迎角之間的關係，可以看出，當機翼的迎角達到臨界迎角之前，升力係數隨迎角增大而增大；當迎角超過臨界迎角之後，升力係數就下降了。由於機翼的升力係數與升力成正比，所以說明了當機翼迎角大到一定程度之後，升力的確下降了。

   由此可見，具有超音速巡航能力將是第四代戰鬥機所必須具備的技術指標。美國的第四代戰鬥機F-22就具有超音速巡航能力。

那麼怎麼才能使戰鬥機具有超音速巡航能力呢？主要措施有兩條：一是採用先進的氣動外形設計，使飛機的阻力盡量減少：翼身融合體技術就是一種，它能提高飛機的升阻比，減少超、跨音速波阻。二是採用性能先進的發動機，使發動機最大推力大，具有較好的速度特性。從目前研製的水平來看，最佳方案是選用小流量比加力渦扇發動機。

   美國的F-22飛機之所以具有真正有效的超音速巡航能力，首先是採用了先進的氣動外形設計。主要內容有：翼身融合技術；大根梢比的切尖菱形機翼，前緣後掠角為42度，后緣前掠角為17度，襟翼前緣和主翼后緣均各帶弧度；保形天線、保形武器艙和菱形進氣道等等，這些設計使飛機氣動外形乾淨光滑，氣動阻力小。

   其次，是採用了先進的動力裝置。該機裝有兩台F119加力渦扇發動機。由於發動機在設計中採用耐高溫材料和先進熱循環技術，將渦輪前燃氣溫度提高到1853-1923K，總增壓比提高到25，因而產生的推力大(單台最大推力為104.5千牛（即為10663公斤）。使其有足夠的剩餘推力。同時，又因其流量比小(只有0.15-0.25)，使其速度特性得到改善。不存在推力不夠和過分耗油問題，所以，在不加力的情況下就可使飛機飛行速度達到超音速，而使它具有超音速巡航能力 。

   1991年1月17日凌晨，伊拉克首都巴格達的人們還處在香甜的睡夢中，幾架外形奇特、顏色漆黑的飛機從基地起飛以後，悄無聲息地進入伊拉克的領空，並突然出現在巴格達的上空，向著位於市中心的通訊大樓投下了精確制導的激光制導炸彈，四十五分鐘以後，巴格達的空襲警報才響起。成功完成這次空襲任務的神秘飛機便是美國空軍鼎鼎大名的隱形飛機F-117。F-117早在1989年12月美國入侵巴拿馬戰爭中就已經使用過，直到這次海灣戰爭才充分體現了隱形飛機的軍事價值：戰爭期間，設防嚴密的巴格達市內95% 的目標都是由F-117在夜間進行轟炸的，並且在執行任務的過程中沒有損失一架F-117 。這所有的一切都歸功於F-117所採用的隱身(或隱形)技術。

   隱身技術的專業定義是：在飛機研製過程中設法降低其可探測性，使之不易被敵方發現、跟蹤和攻擊的專門技術，當前的研究重點是雷達隱身技術和紅外隱身技術。簡言之，隱身就是使敵方的各種探測系統( 如雷達等)發現不了我方的飛機，無法實施攔截和攻擊。早在第二次世界大戰中，美國便開始使用隱身技術來減少飛機被敵方雷達發現的可能。下面主要來看一看雷達隱身技術是怎樣實現的。

   雷達是利用無線電波發現目標，並測定其位置的設備。由於無線電波具有恆速、定向傳播的規律，因此，當雷達波碰到飛行目標(飛機、導彈等時，一部分雷達波便會反射回來，根據反射雷達波的時間和方位便可以計算出飛行目標的位置。由此可見，飛機要想不被雷達發現，除了超低空飛行避開雷達波的探測範圍外，就得想辦法降低對雷達波的反射，使反射雷達波弱到敵人無法辨別的地步。這裡有一個衡量飛行器雷達回波強弱的物理量：雷達散射截面積( 英文名稱Radar Cross-Section，縮寫為RCS) ，是指飛機對雷達波的有效反射面積，雷達隱身的方法便是採用各種手段來減小飛機的RCS 。例如美國的B-52轟炸機的RCS 大於100平方米，很容易被雷達發現，而與其同類的採用了隱身技術的轟炸機B-2的RCS 約為0.01平方米，一般雷達很難探測到它。

    目前用來減小飛機RCS的主要途徑有兩種：一是改變飛機的外形和結構，二是採用吸收雷達波的塗敷材料和結構材料。

   由於一般飛機的外形比較複雜，總有許多部分能夠強烈反射雷達波，象發動機的進氣道和尾噴口、飛機上的凸出物和外掛物、飛機各部件的邊緣和尖端以及所有能產生鏡面反射的表面，因此必須對飛機的外形和結構做較大的改進。我們可以看到隱身飛機的外形十分獨特，如F-117基本上是由平面組成的角錐形體，尾翼為V形；而B-2則是前緣后掠、后緣為大鋸齒形，沒有機身和尾翼，整個飛機向一個大的飛翼，其發動機進氣道布置在機體上方，沒有外掛物突出在機體外面。此外，為了進一步減小飛機的RCS，還在機翼的前後緣、進氣道唇口部分採用了能夠吸收雷達波的材料，整個飛機表面塗以黑色的吸收雷達波的塗料。

　 雖然隱形飛機能夠在相當大的程度上隱身，但只是針對一般的探測設備而言，還有許多方法都可以發現隱身飛機。在1999年3到5月美國對南聯盟實施轟炸的時候，南聯盟防空軍就曾經擊落了美國的一架F-117A戰鬥轟炸機。此外，有得必有失，隱形飛機的隱身能力是以犧牲機動性作為代價的，而且造價也十分昂貴。

垂直起落技術

   垂直起落技術顧名思義就是飛機不需要滑跑就可以起飛和著陸的技術。它是從50年代末期開始發展的一項航空技術。

為什麼人們會去發展垂直起落技術呢？首先，具有垂直起落能力的飛機不需要專門的機場和跑道，降低了使用成本；其次，垂直起落飛機只需要很小的平地就可以起飛和著陸，所以在戰爭中飛機可以分散配置，便於偽裝，不易被敵方發現，大大提高了飛機的戰場生存率；第三，由於垂直起落飛機即使在被毀壞的機場跑道上或者是前線的簡易機場上也可以升空作戰，所以出勤率也大幅提高，並且對敵方的打擊具有很高的突然性。

   那麼，垂直起落技術是怎麼實現的呢？我們知道，飛機飛行需要克服兩種力—重力和阻力。重力是由飛機的氣動面，即機翼和尾翼產生的升力平衡的；阻力則是由發動機提供的推力克服的。正常飛機的起飛過程就是飛機在發動機的推動下，克服阻力向前滑跑，當滑跑速度足夠大到使機翼產生的升力大于飛機的重量時，飛機就可以離開地面升空飛行了。而垂直起落飛機由於不需要滑跑，就不可能由機翼產生平衡重力的升力，所以要實現垂直起落，就只能把希望寄託到飛機的動力設備—發動機上了。垂直起落飛機就是由發動機提供向上的推力來克服重力實現垂直起落的。

   垂直起落飛機產生升力的辦法有三個，一個是偏轉發動機的噴管，第二種是直接使用升力發動機提供升力，第三個是前兩種辦法的組合，同時使用升力發動機和主發動機。

   英國的“鷂”式（Harrier）就是使用偏轉噴管方式的垂直起落飛機。這種飛機機身中部安裝有一台“飛馬”式推力轉向發動機（“飛馬”發動機結構圖），前後兩對可旋轉噴口分別位於機身兩側，相對機身重心保持對稱。發動機將從進氣道吸入的空氣一部分通過前面的兩個可旋轉噴口噴出，另一部分經過燃燒室和渦輪從後面的兩個可旋轉噴口噴出，四個噴口噴出的氣流共同產生供飛機垂直起降、空中懸停和水平飛行的動力（圖為“鷂”式垂直起飛示意圖）。

   俄羅斯的雅克-36和雅克141是使用升力發動機和偏轉噴口主發動機相結合的垂直起落飛機（雅克式飛機發動機原理圖）。飛機的兩台升力發動機位於座艙后的機身內，其進氣道在機身上部；主發動機裝在機身內，噴口在後機身兩側。當飛機垂直起飛時，主發動機的一對可旋轉噴口從向後位置轉到向下位置，同時升力發動機工作，也是四束噴流提供了飛機的起飛升力。當飛機進入平飛狀態之後，主發動機轉至向後，升力發動機則停止工作，其進氣道關閉。

   正如前面提到的，使用垂直起落技術的飛機機動靈活，具有常規飛機無可比擬的優點，但同時也有許多重大的缺點。首先是航程短，由於要實現垂直起落，飛機的起飛重量只能