航空器
航空器專題 | ||||||||||||||||||
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| 單純利用空氣浮力（浮空器） | ||||||||||||||||||
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| 空氣浮力和空氣動力混合 | ||||||||||||||||||
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| 單純利用空氣動力 | ||||||||||||||||||
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| 其他 | ||||||||||||||||||
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航空器（英語：aircraft）是飛行器中的一個大類，是指通過機身與空氣之間的物理互動（而不是靠噴射引擎產生的反向推力）克服重力進行飛行的任何載具[1][2][3]。
任何一種飛行器都必須產生出至少與自身重量相同的垂直向上的力才能離開地面進行飛行。根據這種上推力的產生方式的不同，航空器可分為兩類：輕於空氣和重於空氣，前者也稱浮空器（aerostat），主要依靠阿基米德原理用比重較輕的氣體排開周圍空氣獲得浮力升空；後者也稱重航空器（aerodyne），依靠空氣動力學原理，用翼型與空氣互動產生升力升空[4]:9,269[5]:1,237。
由構造特點不同，輕於空氣和重於空氣的航空器有着不同的特點。輕於空氣的航空器主體為一個氣囊，內部一般充入密度比空氣低的氣體，如氫氣、氦氣或熱空氣，借着大氣中的靜浮力使航空器能夠滯留於空中。在重於空氣的航空器中使用範圍最廣泛的是飛機，它由裝有提供拉力或推力的動力設備、產生升力的機翼和控制飛行姿態的操縱設備等構成。[5]:1,237[6]:1,142[4]:9,269
歷史
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人類很早就有像鳥類一樣在空中飛行的夢想，甚至包括古人用的石頭和矛、到古希臘人阿爾希塔斯所製造的機械鴿[7][8]、遠至澳大利亞的飛去來器等。雖然在美洲土著千多年前的文物，和埃及文物及神廟浮雕中，分別發現飛機及直升機形像，而印度兩大史詩《摩訶婆羅多》及《羅摩衍那》亦有大量的飛行記載，但這一切仍是未解之謎。中國古代也有人在文學著作中描述了飛天夢試圖實現這種脫離大地束縛的夢想，中國發明的風箏和孔明燈[9][10][11][12]。在西方，達文西也曾設計過航空器[5]:1,124-127[13]。[14]
在18世紀開始的工業革命後，1783年法國的孟格菲兄弟使用熱氣球，以及傑克斯·查理（Jacques Charles）的氫氣球成功升空後，標誌着人類巨大的科技進步。[15][4]:9,271重於空氣的航空器飛行原理基本是由19世紀初的英國人凱萊爵士發現的。[16][17][18]而19世紀的90年代，德國人奧托·李林塔爾是第一位研製和成功飛行滑翔機的人[6]:2,87。[5]:1,124-127
1903年12月17日，美國萊特兄弟利用自行建造的飛機，實現人類第一次持續性的、有動力可操控的飛行，誕生了現代航空器。[19]兩次世界大戰期間，戰爭不斷激勵着航空的發展，軍用飛機的能力快速提升，使得戰爭徹底轉變為立體縱深化的，而民用航空事業也伴隨着發展起來。[20]二戰之後，隨着噴射式飛機的誕生，使得飛機衝破音障，成為重大突破。而高性能的超音速軍用飛機又進一步對現代軍事產生重大影響。經濟、安全和舒適的噴射式客機也成為航空運輸的主力，也改變着現代交通運輸行業。新型的材料技術和電子科技發展也使得航空器有了重大的革新。[21][5]:1,124-127[4]:9,271[6]:2,87
- 飛機探索時期，20世紀以前：氣球飛行成功；飛船的興盛與衰退；飛機的探索。
- 活塞引擎飛機，20世紀40年代前：有飛機首次試飛成功，最初的發展；第一次世界大戰中飛機的使用；民用航空的建立；第二次世界大戰中的軍用飛機。
- 噴射飛機時代，20世紀40年代至今：有首架噴射式飛機誕生，突破音障；噴射軍用飛機的成熟；噴射民用飛機的出現；其他航空器的發展；航空科技的革新。
原理
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當空氣和物體迎面相對時，該物體四周的氣流形態取決於物體本身的形態和流動速度，一道穩定的氣流可匯成一組連續的、流暢的、幾乎平行的線條，這種線條稱為流線。[22]因此，世人稱某些物體呈現流線型即表明它的形狀可以使周圍的空氣很平滑地流過。[23]在流線上流動非常有規則，不會出現四處亂流，則稱為層流[24]。[5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93
當空氣流經表面呈現弧形的物體時，流速就會異常加快，而流線之間的距離也緊密起來，直到流過該物體為止。如該物體的表面不夠平滑，則空氣不會一次流動，而是出現擾流。[25]在物體的後線也有可能出現渦流，這是空氣的脈動現象，研究表明，物體在層流中比在擾流中受到更小的阻力[26]。[5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93
空氣動力學的應用
[編輯]空氣動力學在飛行器設計上有實際應用，其主要受到空氣動力的兩個分力影響，升力和阻力。[5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93[17]
物體在空氣中運動的線路稱作相對風。氣體動力在相對風的方向垂直產生的分力就是升力。而與相對風平行但反方向運動的分力就是阻力，即試圖將物體向後拉，阻礙前進的力。阻力部分來自於升力，部分源於物體形狀和表面摩擦力。[5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93
形狀對稱的物體如按照對稱軸對準相對風而運動時，就不會有升力，僅會有部分阻力。如對稱軸與相對風呈現一定的角度[註 1][註 2]，就會同時產生升力和阻力，共同構成合力。[27][5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93
在設計航空的飛行器時，須以高升阻比[註 3]為最佳方案。翼剖面，這是指設計成能夠產生最大升力的表面，飛機的基本翼剖面就是機翼。早期的翼剖面在較快的速度中容易出現擾流，而由於各種科學和實驗的進展，逐漸發現弧形表面才是翼剖面的最佳方案。[5]:1,120[4]:13,104[6]:1,93[28][29][30][31]
飛行器飛行原理
[編輯]力的平衡
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一個穩定飛行的航空器，其身上會有各種力的相互抵銷，主要由四個，升力、阻力、重力和推力。當飛機飛行時，其動力系統需能產生足夠抵消氣流阻力的推力，飛機的升力總是也必須與其自身重量相抗衡，否則飛機就會掉下去。按照簡單的來看，機身與機尾所產生的升力與機翼的相差甚大，尤其是低音速飛行時更是如此。[5]:1,121[4]:13,104[6]:1,93[18]
穩定性
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航空器在飛行時，除了要維持平衡[註 4]以外，還要保持穩定性，即飛行時受到外部干擾後，能夠恢復到原來的姿態[註 5]；如非這樣，航空器就需要以新的姿態飛行，稱其穩定性為「中性」。如航空器遇到干擾後，不僅無法還原至先前的狀態，而是持續地產生姿態的改變，這樣就是「不穩定」。[5]:1,121[4]:13,104[6]:1,93[28][30]
轉動軸
[編輯]一個飛行器按照三根軸[註 6]可以有三種自由運動，側向、縱向及垂直，而運動也分為移動和轉動，所以飛行器運動會有6個自由度。[5]:1,121[4]:13,104[6]:1,93
飛行器在側向軸上轉動就稱為俯仰。飛行器沿着垂直軸的轉動稱作偏航，右轉偏航就是正向偏航。飛行器於縱向軸的轉動既是側滾。[5]:1,121[4]:13,104[6]:1,93
超音速
[編輯]如飛行速度達到音速[註 7]時，飛行器的基本狀態除了要保持平衡和穩定以外，其他條件就重要起來，如與空氣的摩擦力，及維持飛行器自身周圍層流的困難性等。另外，高速飛行也讓飛行器機翼的表面積相對減少，這更使得翼載[註 8]增加了，飛行器失速[註 9]的風險也就增大了。另外，飛行器在到達跨聲速[註 10]和超音速[註 11]，飛行時，形成的震波[註 12]，也是需要考慮的問題。[27][5]:1,121[4]:13,104[6]:1,93
分類
[編輯]航空器通常可分為兩大類：輕於空氣的航空器和重於空氣的航空器。根據航空器具體的結構特點還可以進一步被細分：[4]:9,269
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輕於空氣
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輕於空氣的航空器（英語：lighter-than-air aircraft）是指整體密度比空氣低的航空器，靠充入密度小於空氣的氣體產生靜浮力升空，因此又稱浮空器[32]，它們多為在歷史上較早出現的航空器，包括：[33][34]
重於空氣
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重於空氣的航空器（英語：heavier-than-air aircraft）是整體密度比空氣高的航空器，以自身部件與空氣相對運動時產生的空氣動力升空飛行。目前民用航空領域常見的此類航空器主要包括：[33][34]
- 固定翼飛機：擁有固定在機體上的翼型部位（機翼）的航空器，飛行升力主要來自於機身向前運動時空氣流過翼面產生的上下壓力差[32]。
- 旋翼機：依賴圓周旋轉的翼型部位（旋翼）產生升力的航空器[32]。
- 撲翼機：又稱振翼機，通過像鳥類和昆蟲一樣上下撲動自身翅膀而升空飛行的航空器。
航空器簡介
[編輯]滑翔機
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這是一種不依靠動力系統的飛機，它能滑翔前進主要靠自身的重力（如圖Dg800滑翔機）。[35]滑翔機的發展和試飛成功，都要比1903年的萊特兄弟第一次成功飛行來得早。萊特兄弟從早期滑翔機飛行中得到很多的珍貴經驗。[5]:1,237
早期滑翔機是很簡單的無動力飛行器。它由機翼、機尾和一個簡單的機身構成，僅僅能低速飛行，沒有儀器，機師也是懸空坐在機身龍骨前端的座位上，只用操縱杆操作方向舵來控制滑翔機。其自由飛行前現需要一輛汽車或者飛機拖拽，又或者經過彈射器彈射進入空中。[5]:1,237[36][37]20世紀後期出現了穿梭機，其依靠火箭垂直發射並飛出大氣層，而後在預定的近地軌道航行。但是在返回時需要藉助無動力滑翔才能安全着陸，其是否屬於航空器還有爭議。[4]:9,269
翱翔機是另一種緩慢降落的滑翔機，由很輕的重量和優良的設計獲取最大的航程。[38]它雙翼狹窄而翼展較長，且流線型的機身裝着有用的儀器，如航速表和高度表等等。而機師也坐在機身內。翱翔機可憑藉一股上升氣流向上提升，到達高空之後有緩緩地翱翔降落，如遇見有一股上升氣流才能夠在此繼續翱翔，理想情況下，翱翔機是可以爬升很高的，也能飛行很長的一段時間。[5]:1,237[6]:1,142
固定翼飛機
[編輯]其可按照飛機的推動系統進行區分。
- 活塞引擎飛機，其內部引擎與汽車引擎很相似，但其經常使用氣冷式而不是汽車的水冷式，且與汽車上擁有同樣動能的引擎相比，飛機引擎在重量上輕了許多。[39][40]這種飛機主要是以螺旋槳推進，因此飛行速度較低，如速度太快則會讓螺旋槳的效率明顯降低（如圖安-2）。而引擎的扭力會使得飛機機身朝着相反方向旋轉，加上較強烈的振動，這些缺點難以克服。[5]:1,237[6]:1,142[41][42][43][44]
- 渦輪引擎飛機（如圖空巴A380），大體上與活塞引擎飛機類似，然而其優點在於能效更好，維修費用更節省，振動也比較輕微。其飛機誕生於二次世界大戰尾聲，當時就革新了航空界。渦輪噴射引擎的發明很大幅度提升了飛機的動能，使得超過音速能為可能。在外形上，也較多使用了向後斜翼，更薄的且效率更好的翼剖面，這些改動讓機身空間增大了。渦輪扇葉引擎屬於渦輪噴射引擎的改良版，通過提高進氣量來降低燃料使用量。現今渦輪扇葉引擎大量地在商業民用和新型軍用飛機上使用。軍事飛機還可再裝後燃器，其是安裝在引擎尾部的圓柱形管道，引燃之後便可使飛機的動力瞬間提升八成以上。[45][46]但後燃器加大了燃料的消耗，一般只應用在作戰上[47][48]。[5]:1,237[6]:1,142
- 火箭推進引擎飛機（如圖X43a），由於其燃料攜帶量有限而消耗量極大，所以一般用在高空高速研究上。[49]它通常是掛在另一架大型飛機上，在高空中起飛。由此火箭引擎很難在商業民用和軍用飛機上。[50]另有稱為噴射輔助升空系統的火箭裝置用在重型飛機上，只是幫助起飛。還有另一種構想，在飛機上加裝一套火箭引擎，便可使其瞬間產生加速。然而在一架飛機上同時擁有兩種不同動能系統會導致很多缺點，這僅僅只是一種概念。[5]:1,237[6]:1,142
短距起降飛機
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這類飛機又稱為STOL（如圖Zenair CH 701），除了能在較短距離內起降外，與傳統的固定翼飛機別無他樣。一架普通的輕型飛機，如有了較高提升力的翼型及增大一定的推力，便可以達到短距起降的標準。[51][52][53]但是在重型飛機上，必須利用短而寬的機翼，再配上多節式襟翼，起降的時候還需要平常升力的三倍左右，才能作到短距起降。[54]另外的方法是在襟翼和翼前緣鼓風，而如此一來便要消耗一部分的動能，除非這股氣流是獨立的引擎提供。[5]:1,237[6]:1,142
對於短距離起降飛機的定義並不明確，有着諸多的標準，[55]以下為主流定義：一、必須要在300餘米（1000英尺）以內的距離實現起落，同時還需要在起落過程中能夠越過跑道上15米（50英尺）高的障礙物。[註 13][55]二、短距起落飛機必須要在約450米（1500英尺）以內，越過15米（50英尺）高的障礙物。[56][57]以及其他一些不依據具體起降跑道長度的標準。[58][59][60]此外，一些宣稱符合STOL的機型，但廠家並不能提供滿足任何一項主流定義的證據。[61]
這種技術的航空器又稱為V/STOL，在正常的重量下可以垂直起落，但在負載較重時又可以轉為短距起落。現在使用該技術的機型包括直昇機和其他類似的飛機。[5]:1,237[62]
直昇機
[編輯]直昇機（如圖KA-50）與其他的垂直起落飛機有着設計和觀念上極大的不同。直昇機的構思來源於古中國的一種兒童玩具——竹蜻蜓，[註 14][63][64]達文西也發現過，可當其真正發展為飛機時，卻因為飛行穩定性不足而被迫中斷了。[13][65][66]之後，1923年希耶瓦（Juan de la Cierva）所製造的旋翼式直昇機首次解決了很多技術上的難關。直昇機飛行前進依靠的是傳統的螺旋槳推進，而迴轉軸能讓空氣轉動，便能帶動其旋轉。[5]:1,237[6]:1,142
1936年德國製造了第一架穩定的直昇機，是利用迴旋軸的葉片轉動而升空，[67]但一直到了韓戰時，直昇機才正式地被使用起來。目前，直昇機已經廣泛地用在軍事上，以便增加作戰時的機動性，[68]同樣也大量地使用在商業航空上，提供簡單方便的穿梭飛行業務。[5]:1,237
傾斜翼飛機
[編輯]傾斜翼飛機是可以將機翼在水平和垂直間調整的渦輪螺旋槳飛機（如圖V-22魚鷹）。當它的機翼垂直地面時，便能像直昇機一樣的起飛，當機翼轉為水平狀態時，又能像傳統飛機那樣航行。雖然傾斜翼飛機的盤旋能力不如直昇機好，但是卻具備了高速飛行的能力。[69][70][71][72]而另一種是概念式傾斜翼飛機，它只需將螺旋槳從水平方向變為垂直方向就可以。在實踐中，傾斜翼飛機的性能都不錯[73][74] 。[5]:1,237[75]
向量噴嘴飛機
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向量噴嘴飛機又是一種新的突破，它裝有特殊的渦輪扇葉引擎，具備着可以旋轉的排氣噴嘴（如圖F-35B）。當其正常飛行時，噴嘴朝向水平；而在盤旋飛行時，噴嘴又能垂直狀，使飛機能夠垂直起降。實驗也證明，這類飛機的確可以在接近靜止的和全速之間的所有速度運行。[76][75][77][78]還有另外的概念，稱為翼上扇葉，是在噴射機的機翼上加上一些大型渦輪扇葉引擎。當飛機需要盤旋時，機翼的氣門便打開，將引擎噴射導向機翼上的扇葉，讓其轉動。[5]:1,237
飛船
[編輯]飛船與熱氣球都是比空氣輕的動力航空器，升力由空氣提供，而不需要像飛機那樣。儘管飛船來源於氣球，但是氣球的軸同前進方向是垂直的，而飛船的軸卻是與航行方向平行。飛船因為自身擁有動力而與氣球相區別，所以其不用依靠風力就能操縱，亦稱為可駕駛飛船。[5]:1,250[79][80][註 15]
飛船分為三種：非硬式（或稱軟式），半硬式和硬式的。非硬式飛船有個大氣囊，內部充滿着氫氣或氦氣，另外還有多個充滿空氣的獨立氣室，形狀由於氣囊內的氣體壓力比外部大氣壓力高而能維持，操作吊艙附着於氣囊的繩索上。半硬式飛船與軟式飛船在外形上類似，但有着堅硬的龍骨懸掛在氣囊上，操控吊艙和引擎一般都在龍骨上。而硬式飛船（如圖興登堡號）的形狀則是一系列繃緊的、覆蓋在骨架上的蒙布而形成的，骨架內部擁有很多的氣室。[81][82][83][84][85][86][87][88]非硬式和半硬式的飛船時至今日依舊使用，而大型硬式飛船自從20世紀30年代末就沒有出現了。[5]:1,250
撲翼機
[編輯]撲翼機（如圖實驗的撲翼機）是人類早期設計並製造的航空器，其試圖模仿鳥類飛行，用像飛鳥翅膀那樣撲動的翼面而產生的升力及拉力來。但其依舊還處於試驗階段，沒有可靠的載人成功事例。[89][4]:9,270[90]
用途和法律
[編輯]航空法
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管理天空和在天空中發生事情的法律。天空可以理解為從地表到外太空的區域。因無線電波、發射體和其他物體也很會飛越一個國家或地區的領空，但航空法一般僅涉及民航以及飛機、飛船、氣球和其他這類航空器的法律。[6]:1,139
1919年在巴黎通過的航空管理公約，其所承認的基本原則是國家對天空擁有主權。這公約在芝加哥於1944年的國際民用航空公約所取代的。[91]其承認「每個國家對其領土上空的區域擁有完全的及排他的主權」。芝加哥公約還有規定是飛行在一國領空的航空器以內的人也屬於該國法律管轄。航空器還須遵守當地的航空規則和空中交通管制，涵蓋出入境、移民、關稅、護照、健康以及關於機組人員、乘客和貨物的事項等規定。[92][93]各國都有依據芝加哥公約授予的權利管理外國飛機在其領空內的航空行為。[6]:1,139[2]
此外，1925年的巴黎會議設立一個國際航空法專業技術委員會（CITEJA），其工作持續到二次世界大戰，之後有國際民航組織（ICAO）接管國際航空法律的執行。主要的國際條約還有1928年哈瓦那的泛美公約，還有1929年華沙公約，主要規定賠償責任，包含1933年羅馬公約和1955年海牙協定書，及1961年瓜達拉哈拉公約對航空器本身制定了法律的規範。1946年百慕達航空會議也制訂了與航線相關的法律條文。[5]:2,540
用途
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軍事上，主要是用於航空偵察、轟炸、反潛、空戰以及運送人員、裝備和其他物資等。[94]民事上，可用於貨運、客運、農業、漁業、林業、氣象、探礦以及空中測量和攝影等。科學研究，航空器也是這方面的重要裝置，在人造衛星和載人飛船等出現前，在高空氣象、大氣物理、地球物理、地質學、地理學等，都發揮着不可或缺的作用，即使太空船產生後，由於價格便宜、使用方便，依舊用在高空的科研上。[4]:9,270
飛機出現僅百餘年，性能已經顯著提升，人們研發出最大飛行速度大於三馬赫[註 16]、高度超過30公里的偵察機，飛行距離超越4000公里、載彈量超過20噸的超音速轟炸機，以及能夠轉載五百多人的，航行在洲際的民航客機。直昇機雖然歷史短，但其發展迅速，已經日益完善且有着特殊作用。[4]:9,270
這是用作運動或收藏的不載人小型航空器。航空模型運動是國際性的體育航空項目。按照國際航空聯合會的規定，競賽和創紀錄的模型，除了一些項目以外，總升力面積要小於1.5平方米，起飛總重量少於5千克，活塞引擎汽缸總工作容積不超過十毫升。[95][96]按照類型分為航空模型飛機和直昇機以及仿真模型飛機[97][98]。按照控制方式分為，自由飛行[99]，線操縱圓周飛行，無線電遙控飛行。[4]:9,266
註釋
[編輯]- ^ 攻角，翼剖面與相對氣流方向之間的夾角
- ^ 傾角，翼剖面弦線和推力方向（飛行器縱軸）之間的夾角
- ^ 升力和阻力的比率
- ^ 當飛行器呈現水平穩定飛行，且沒有任何方向上的旋轉時，此時此刻飛行器在空氣動力中處於平衡狀態
- ^ 飛行姿態，飛行器本身放置在參考坐標系上所呈現的傾斜角度
- ^ 即參考坐標軸，飛行器上貫穿機身的三根互相垂直的參考線，是飛行器轉動的軸線
- ^ 物體運動的速度與同介質中的音速相同
- ^ 飛行器總重量與機翼面積的比值
- ^ 指翼型氣動攻角增加到一定程度（達到臨界值）時，翼型所產生的升力突然減小的一種狀態
- ^ 速度接近音速範圍內，約0.8-1.2馬赫之間
- ^ 在某一高度時超過音速的運動速度
- ^ 物體運動速度超過同介質中的音速時所形成的壓力波，順帶產生的壓力、密度和速度的突然變化
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一般認為能稱得上是STOL者，必須能在150~300公尺的距離之內起降，同時在起降過程中還要能越過跑道上15公尺高的障礙物。
- ^ 《抱朴子》：「若能乘蹻者，可以周流天下，不拘山河。凡乘蹻道有三法：一曰龍蹻、二曰虎蹻、三曰鹿盧蹻。或服符精思，若欲行千里，則以一時思之。若晝夜十二時思之，則可以一日一夕行萬二千里，亦不能過此，過此當更思之，如前法。或用棗心木為飛車，以牛革結環劍以引其機，或存念作五蛇六龍三牛交罡而乘之，上升四十里，名為太清。」
- ^ 第二次世界大戰後仍然有飛船使用氫。英國第一首使用氦氣的飛船是1967年。
- ^ 是表示速度的量詞，又叫馬赫數，一馬赫即一倍音速
參考文獻
[編輯]引用
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