科技|神奇!飞机飞行原理3D动态图，小学生都能看懂

心尊门

大多数飞机由五个主要部分组成：机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置，飞机的飞行要解决两个问题：一是上升；二是前进，前进靠的是发动机的动力带动螺旋桨旋转产生的向前牵引力或是喷气产生的向前推力。上升是根据伯努利原理，即流体（包括气流和水流）的流速越大，其压强越小；流速越小，其压强越大。还有，升力和迎角等都有很大关系。





气流流过的压力差产生了升力



飞机运动的三轴简化，俯仰、滚转、偏航

↓↓滚转是副翼控制↓↓



↓↓俯仰运动靠升降舵控制↓↓



↓↓偏航运动靠方向舵控制↓↓



平衡分析（对单旋翼式）

（1）直升飞机的大螺旋桨旋转产生升力平衡重力。

直升飞机的桨叶大概有2—3米长，一般有5叶组成。普通飞机是靠翅膀产生升力起飞的，而直升飞机是靠螺旋桨转动，拨动空气产生升力的。直升飞机起飞时，螺旋桨越转越快，产生的升力也越来越大，当升力比飞机的重量还大时，飞机就起飞了。在飞行中飞行员调节高度时，就只要通过改变大螺旋桨旋转的速度就可以了。

（2）直升飞机的横向稳定。

因为直升飞机如果只有大螺旋桨旋，那么根据动量守衡，机身就也会旋转，因此直升飞机就必须要一个能够阻止机身旋转的装置。而飞机尾部侧面的小型螺旋桨就是起到这个作用，飞机的左转、右转或保持稳定航向都是靠它来完成的。同时为了不使尾桨碰到旋翼，就必须把直升飞机的机身加长，所以，直升飞机有一个像蜻蜓式的长尾巴。

航空发动机：提供飞机前进的动力


▲星型发动机示意图，在其他更先进的航空发动机出现之前，大型飞机的发动机常采用星型设计。


▲星型发动机属于活塞式发动机的一种，早在1903年，星型发动机就用在了飞机上


▲涡轮喷气发动机简称涡喷发动机，其历史也很悠久，1937年，世界上第一个涡轮喷气发动机就开始运行了



▲从大的方面看，涡喷发动机由5个结构组成
空气从进气道进入发动机后，首先被高速运转的压气机压缩，产生高压致密空气以提供大量氧气，燃烧室喷油燃烧，向后冲击涡轮机，而涡轮机又带动前面的的压气机，燃气流从喷口喷出产生推力。



▲涡轮风扇发动机简称涡扇发动机

很容易就能发现，涡扇发动机和涡喷发动机两者之间的区别。涡喷只有一个空气通道，专业上叫做“涵道”，而涡扇发动机却有两个空气通道。也就是说，涡喷发动机是单涵道发动机，而涡扇是双涵道发动机。


▲发动机在运转时，外涵道与内涵道空气流量的比值叫做涵道比
规律是，涵道比越大越省油，经济性越好，高涵道比的发动机在亚音速时有非常好的能效，所以它广泛地运用于客机、运输机等。


▲高涵道比的发动机，主要推力不是来自于向后喷出的高温燃气，而是来自于外涵道高速向后喷出的空气
现代战斗机也大多采用涡扇发动机，只是，为了追求高空的超音速性能，使用低涵道比的发动机。



▲美国F22猛禽战斗机使用的涡扇发动机，涵道比很低，只有0.3：1


▲涡轮螺旋桨喷气发动机，简称涡桨发动机
涡桨发动机的本质类似于涡喷发动机接上一个减速器，并带动外部的螺旋桨。


▲中国自行设计研制的水陆两栖飞机蛟龙-600，采用国产WJ-6涡桨发动机

目前，蛟龙-600是世界上最大的水陆两用飞机，于2016年7月23日总装下线。

涡桨发动机通常用在小型或低速的亚音速飞机上。但也有例外，俄罗斯的图-95战略轰炸蛟龙-600机使用的NK-12MV型涡桨发动机，让其达到925公里每小时的高速，接近音速。


▲俄罗斯的图-95战略轰炸机



▲每一个NK-12MV型涡桨发动机上有8个叶片，前后叶片采取同轴反转的模式



▲同轴反转示意图



▲安-70运输机上的D-27浆扇发动机

涡桨发动机的燃油效率通常高于涡扇发动机，但它也不是尽善尽美，原因之一是，涡桨发动机上多了一个减速器，也就是变速齿轮。

变速齿轮的存在一是增加了发动机重量，二是多少会带来一些功率上的损耗。

为此，有的国家研制一种不需要变速齿轮的发动机，它就是桨扇发动机。

由于和涡轮之间没有减速器，桨扇的螺旋桨转速非常高，带来的优点是燃料效率进一步提高，而缺点是噪音大，难以运用于追求舒适性的客机上。目前，只有安-70运输机使用浆扇发动机。


▲“安-70”运输机由乌克兰与俄罗斯共同研制开发，于1994年12月6日首飞

“安-70”的发动机，其叶片为前置，还有另一种桨扇发动机，其叶片为后置，这就是通用电气早些年进行实验的发动机GE36。


▲GE36桨扇发动机


▲GE36桨扇发动机示意图


▲实验中的GE36，表现出了非常低的燃料消耗，但同样还是因为噪音大的问题，它没有被使用在任何飞机上



▲涡轴发动机并非如此简单，但您可以借此理解其本质

涡轮轴发动机简称涡轴发动机，顾名思义，它是通过“轴”来传输动力。直升机、坦克、船舶上都有使用。



▲ch-47支奴干直升机上的涡轴发动机

无论是上文提到的涡喷还是涡扇发动机，它们的前部都有一个“压气机”，这可是个大块头，要是能把它去掉就太好了。问题是，没有了压气机，怎么压缩空气？
飞行器飞得越快，迎面而来的空气就越快，当快到几倍音速时，空气自然就得到了压缩。高压空气进入燃烧室，混入燃油，剧烈燃烧并向后高速喷出以得到动力。这就是冲压发动机的原理。



▲图中的（a）代表传统的涡喷发动机，其结构很复杂，而（b）代表冲压发动机；（c）表示超燃冲压发动机

冲压发动机一般用在导弹和目前还在试验阶段的高超音速飞行器上。



起落架收放示意1



起落架收放示意2



起落架收放示意1

直升机与普通飞机区别及飞行简单原理

不可否认，直升机和飞机有些共同点。比如，都是飞行在大气层中，都重于空气，都是利用空气动力的飞行器，但直升机有诸多独有特性。

（1）直升机飞行原理和结构与飞机不同，飞机靠它的固定机翼产生升力，而直升机是靠它头上的桨叶（螺旋桨）旋转产生升力。

（2）直升机的结构和飞机不同，主要由旋翼、机身、发动机、起落装置和操纵机构等部分组成。根据螺旋桨个数，分为单旋翼式、双旋翼式和多旋翼式。

（3）单旋翼式直升机尾部还装有尾翼，其主要作用：抗扭，用以平衡单旋翼产生的反作用力矩和控制直升机的转弯。

（4）直升机最显眼的地方是头上窄长的大刀式的旋翼，一般由2～5片桨叶组成一副，由1～2台发动机带动，其主要作用：通过高速的旋转对大气施加向下的巨大的力，然后利用大气的反作用力（相当与直升飞机受到大气向上的力）使飞机能够平稳的悬在空中。



文章及图片来源:环球物理（ID:GLOBAL-PHYSICS）、机械前沿