航空科普

李 原

　每当你看到飞机划过蓝天时，它是如何飞上天的呢？让我们一起探索航空的秘密，了解那些让飞行成为可能的神奇科学原理，以及勇敢的飞行员和工程师们如何将人类的飞行梦想变为现实。

请随我，一起进入一个充满奇迹的世界。

P-51野马

零式战斗机

　 P-51野马、零式战斗机是二战时期的经典机型。

最大时速：零式战机的最大时速约为500公里，而野马战斗机可达700公里，野马具有明显的速度优势。

爬升率：零式的最大爬升率约为13米/秒，而野马可以达到16米/秒，野马的爬升性能更优 。

最大起飞重量和发动机功率：零式不足2600多千克，野马是其两倍;且野马的发动机功率也远超零式。

实战表现：在高空作战中，野马依靠其速度和爬升率优势，能够轻松击败零式 。

SR-71侦察机

洛克希德公司研制的战略侦察机

SR-71侦察机（英文：SR-71，绰号：Blackbird，译文：黑鸟），是美国空军一型喷气式远程高空高速战略侦察机。

SR-71侦察机采用了大量当时的先进技术，钛结构、涡喷/冲压变循环发动机，仍然不失其先进性。该机是第一种成功突破热障的实用型喷气式飞机，实战记录中没有任何一架曾被敌机或防空导弹击落过。

SR-71侦察机1963年开始研制，由美国洛克希德公司（Lockheed ）的臭鼬工厂研制生产，1964年首飞，1966年服役，共生产32架。1990年退役，1995年部分SR-71编回部队，并于1997年展开飞行任务，1998年永久退役，部分进入博物馆陈列，仅有NASA德赖顿飞行研究中心使用的一架SR-71A和一架SR-71B用于研究使用。

　 米格-25狐蝠战斗机是一款集速度、高度和强大雷达系统于一体的杰出航空器，它在冷战时期的军事防御和情报收集任务中发挥了重要作用，并为后来的航空科技发展奠定了坚实基础。即便今天，它依然是航空史上最具标志性和影响力的设计之一。

　 无论是eVTOL还是BWB，这些未来概念飞机都代表着航空工业向更清洁、更高效方向迈进的重要一步。它们不仅改变了我们对于飞行器的传统认知，也为未来的航空旅行带来了无限可能。随着相关技术的不断完善和发展，相信这些创新设计将会逐渐走进现实世界，改变人们的出行方式和社会生活方式。

波音747

空客系列

　航空趣味事实：最早的风筝启发了人类对飞行的梦想，鸟类为工程师们提供了设计灵感。

从风筝到现代航空

1、风筝——飞行梦想的起点

风筝是人类最早的飞行器之一，它不仅承载着娱乐功能，而且对后来的航空探索有着深远的影响。据信，风筝最早出现在中国，距今已有两千多年的历史。古代中国人用竹子和丝绸制作了轻便而坚固的风筝，并在上面绘制各种图案。这些风筝不仅仅是儿童玩具，它们还被用于军事侦察、传递信息等实际用途。

风筝的设计原理与现代飞机有很多相似之处：它们都有一个固定的翼面来产生升力，通过线绳控制方向。事实上，早期的航空先驱们正是受到风筝启发，开始思考如何制造能够载人的飞行装置。

　例如，英国科学家乔治·凯利（George Cayley）就在19世纪初利用风筝进行了一系列实验，研究空气动力学的基本原理，为后来固定翼飞机的发展奠定了基础。

　2、鸟类——自然界的工程师导师

鸟类作为自然界中最成功的飞行生物，自古以来就激发了人们对天空的向往。观察鸟类的飞行方式，成为了工程师们设计飞行器时的重要灵感来源。以下是几个具体例子：

机翼形状：鸟的翅膀通常是弯曲的，上表面比下表面更长且更加弯曲。这种形状有助于减少空气阻力并增加升力。受此启发，现代飞机的机翼也采用了类似的流线型设计，以提高飞行效率。

羽毛结构：鸟类的羽毛不仅轻巧而且非常坚韧，能够在高速飞行时保持稳定。飞机设计师借鉴了这一特点，开发出了复合材料，如碳纤维增强塑料，既减轻了机身重量又增强了结构强度。

尾部控制：许多鸟类拥有灵活的尾巴，用来调整飞行姿态和方向。飞机上的水平尾翼和垂直尾翼就是模仿了这一机制，帮助飞行员更好地操控飞行器。

滑翔技巧：某些鸟类擅长长时间滑翔而不需频繁拍打翅膀。科学家们从中学到了如何优化飞机的升阻比，使得现代客机能以更低的能量消耗实现长途飞行。

群体飞行模式：一些鸟类会形成V字形编队飞行，以此减小风阻并节省体力。虽然直接应用于单个飞行器不太现实，但这种理念启发了无人机群的研究和发展，促进了协同飞行技术的进步。

　3、其他有趣的航空历史片段

莱特兄弟的灵感：奥维尔和威尔伯·莱特（Wright brothers）两兄弟小时候收到了父亲送给他们的一个橡皮筋驱动的直升机玩具，这个简单的玩具有助于激发他们对飞行的兴趣。成年后，他们在自行车修理店积累的经验和技术也为发明世界上第一架成功飞行的动力飞机提供了宝贵的支持。

　 首次跨大西洋飞行

1919年6月14日下午4时，英国飞行员约翰·阿尔科克上尉（John Alcock）驾驶一架维克斯公司制造的“维米”飞机，由和亚瑟·布朗（Arthur Whitten Brown）中尉领航，由加拿大纽芬兰的圣约翰斯起飞，进行首次不着陆飞越大西洋的尝试，完成了第一次不间断横越大西洋的飞行任务，标志着航空史上的一个重要里程碑。

由于飞机装满了油料，重量很大，爬高和航速受到了较大影响，4时28分飞机以366米的高度飞越了纽芬兰。飞行中，他们经受了浓云和恶劣天气的考验。在飞行12小时之后，又遇到了大雪、冰雹和雨夹雪的袭击。

　 第二天上午8时15分，正当他们早餐时，飞机在离海面76米高度上空飞越了两个小岛。经过爱尔兰海岸后，他们从飞机上隐约看到了北爱尔兰克利夫登广播电台的铁塔。

由于这里云层极低，如果继续飞行，就有撞山的危险，因此，他们决定降落。降落点选择在克利夫登附近伦敦德里市的一块沼泽地。8时40分飞机开始着陆，虽然一头扎进了烂泥地里，但幸运的是人员和飞机都安然无恙。

他们这次飞行，共飞行了16小时27分，全程3150公里，平均速度195公里／小时。创造了首次不着陆飞越大西洋的纪录。

　 首位独自飞越大西洋的女飞行员

阿梅莉亚·埃尔哈特（Amelia Earhart）是著名的美国女飞行员，1897年出生于美国，从小就对飞行充满了浓厚的兴趣。

她的第一次飞行体验是在1920年，那次飞行让她深深着迷，也点燃了她成为一名飞行员的梦想。

1921年，她购买了第一架飞机，并开始了自己的飞行训练。不久之后，她创造了自己的第一个飞行纪录——成为第一位独自飞越大西洋的女飞行员，是第一位获得十字飞行荣誉勋章的女飞行员、她还创了许多其它纪录，她将她的飞行经历写下后的书非常畅销。她帮助建立了一个女飞行员组织。 她勇敢无畏的精神激励了一代又一代的人追求自己的梦想。

1937年7月2日，当埃尔哈特驾驶着她的“伊莱克特拉”号飞机，她尝试全球首次环球飞行时，在飞越太平洋期间失踪。

　 在人类挑战极限的历史上，有些名字成为了勇气与冒险的代名词。阿梅莉亚·埃尔哈特，这位首位独自飞越大西洋的女性飞行员，她的名字不仅代表了飞行的自由，也象征着探索未知的渴望。

每一个伟大的成就都伴随着风险，而我们今天所享受的飞行安全和便利，是建立在像她这样的先驱者的基础上的。

她的故事鼓励我们继续追求知识和探索未知，哪怕面对的是未知的风险和挑战。阿梅莉亚·埃尔哈特的一生，是对梦想和自由的追求，她的精神将永远在人类的航空史上闪耀。

　 这些趣味十足的事实，我们可以了解到航空不仅仅是一项科学技术成就，更是人类智慧与创造力的结晶。每一次突破背后都有着无数故事，等待着年轻的心灵去发现和传承。

　 新中国自制的第一架飞机初教-5

　 航空的历史

早期探索

古代人类对飞行的尝试，神话与传说中的飞行梦想。

伊卡洛斯（Icarus）的故事：古希腊神话中，巧匠代达罗斯（Daedalus）和他的儿子伊卡洛斯被困在克里特岛。为了逃离，代达罗斯用蜡和羽毛为他们制作了翅膀。然而，在飞行过程中，伊卡洛斯因为过于兴奋，飞得太高以至于太阳融化了他的翅膀，最终不幸坠入海中。这个故事不仅表达了古人对于自由翱翔天空的渴望，也警示人们不要过度自信或贪婪。

实际的技术探索

中国东汉时期的木鸢：在中国古代，张衡是著名的天文学家、数学家和发明家。据记载，他在公元2世纪时设计并制造了一种名为“木鸢”的飞行器。

这种木鸢是一种大型风筝，它能够承载一个人升空短距离飞行。虽然这并不等同于现代意义上的动力飞行，但它展示了古代中国人对于空气动力学的理解以及他们敢于实践的精神。

　　莱特兄弟的成功之路

准备阶段与挑战

背景与动机：奥维尔·莱特（Orville Wright）和威尔伯·莱特（Wilbur Wright）两兄弟来自美国俄亥俄州的代顿市。他们原本经营一家自行车修理店，但对机械工程有着浓厚的兴趣，并受到当时航空热的影响，决定投身于飞行器的研发。19世纪末至20世纪初，许多科学家和技术人员都在尝试建造实用的飞行机器，但大多数都未能成功。

选择实验地点：经过多次考察，莱特兄弟选择了北卡罗来纳州外滩群岛上的基蒂霍克作为他们的主要试验基地。这里风力强劲且地势开阔，非常适合进行飞行测试。此外，柔软的沙滩也有助于减少飞机着陆时可能造成的损坏。

关键性实验与突破

风洞实验：为了更好地理解空气动力学原理，莱特兄弟自行设计并建造了一个小型风洞。通过一系列精密测量，他们发现了现有空气动力学理论中的错误之处，并据此改进了机翼形状和其他关键部件的设计。这一创新使得他们能够在没有计算机辅助的情况下获得精确的数据支持。

滑翔机实验：在正式试飞之前，莱特兄弟先进行了大量的滑翔机实验。他们从1900年开始每年夏天都会前往基蒂霍克进行测试，逐渐优化飞行器的结构和操控系统。这些努力帮助他们在短时间内积累了宝贵的经验，同时也培养了处理紧急情况的能力。

首次成功飞行

历史性的时刻：1903年12月17日，寒冷而多风的日子，莱特兄弟迎来了改变世界的那一刻。当天早晨，威尔伯首先尝试起飞，但由于风速过大未能成功。接着轮到奥维尔驾驶，他启动了由四缸汽油发动机驱动的双螺旋桨推进系统，飞机缓缓离开地面，在空中持续飞行了12秒，覆盖了大约120英尺的距离。尽管这次飞行时间很短，但它标志着人类首次实现了有动力、受控且持续的重于空气飞行。

后续发展：随着技术的不断进步，莱特兄弟继续改进他们的飞行器，延长飞行时间和距离。到了1905年，他们已经能够完成长达38分钟的连续飞行，证明了动力飞行的可行性和实用性。莱特兄弟的成功开启了航空的新纪元，为后来的航空业奠定了坚实的基础。

通过回顾这段充满艰辛与智慧的历史，我们可以深刻感受到那些勇敢无畏的先驱者们是如何一步步将人类的梦想变为现实的。正是由于他们的不懈努力和创新精神，今天的我们才能享受到便捷安全的航空旅行。

三、基本原理

1、 飞行四力：升力、重力、推力和阻力。

飞行中的物体受到四个基本力的作用，这四个力共同决定了飞机能否起飞、保持在空中以及降落。

理解这些力量的工作机制对于掌握航空科学至关重要。

升力（Lift）：升力是垂直于相对气流方向的向上作用力，它是由机翼上下表面的压力差产生的。根据伯努利定理，快速流动的空气会产生较低的压力；因此，当空气通过弯曲的机翼上表面时加速，而下表面空气流速较慢，导致上下表面存在压力差异，从而产生向上的升力。

演示实验，制作简单的纸飞机，并调整机翼的角度（迎角）。通过改变迎角，观察纸飞机如何影响其上升或下降的趋势。还可以使用吹风机模拟强风条件，展示不同迎角对升力的影响。

　 重力（Weight）：重力是指地球引力对飞机施加的向下的拉力。飞机的质量越大，所受的重力也就越大。为了使飞机能够离开地面并维持飞行状态，必须有足够的升力来克服重力。

演示实验：用不同重量的物体（如小石子、橡皮泥等）附加到纸飞机上来增加其质量，然后观察这些变化如何影响飞行距离和稳定性。这有助于直观地理解重力与升力之间的关系。

推力（Thrust）：推力是向前推动飞机的力量，通常由发动机提供。对于固定翼飞机来说，螺旋桨或喷气发动机可以产生足够的推力以驱动飞机前进。推力不仅帮助飞机克服空气阻力，还使得飞机能够在空气中加速。

　 演示实验：通过给纸飞机安装小型橡皮筋动力装置（例如，将橡皮筋绕在一个细棍上并与纸飞机连接），释放后观察推力如何影响飞行速度和轨迹。也可以讨论电动模型飞机使用的电机和螺旋桨是如何产生推力的。

阻力（Drag）：阻力是作用于飞机运动方向相反的力，它是由于空气分子与飞机表面相互作用造成的摩擦以及形状引起的压差造成的。减少阻力可以提高飞行效率，节省燃料消耗。

演示实验：准备几种不同形状的纸飞机（如平直型、尖头型、流线型），比较它们在相同条件下飞行的距离。流线型设计通常能更好地减少空气阻力，使飞机飞得更远。此外，可以在纸飞机后面添加“尾翼”或其他附件，观察额外表面对阻力的影响。

　 2、空气动力学：机翼形状和设计对飞行性能的影响，空气动力学是研究物体在空气中移动时的行为科学，尤其关注如何优化物体的形状以实现最佳飞行性能。机翼的设计直接关系到飞机能否高效地飞行。

机翼形状的重要性

翼型选择：机翼的截面形状被称为翼型，常见的有圆弧形、双凸形和平凸形等。不同的翼型适用于不同的飞行任务，例如高亚音速客机倾向于采用较为平坦但高效的翼型，而超音速战斗机则需要更加尖锐的前缘来减小激波阻力。

迎角调节：迎角是指机翼弦线与相对气流之间的夹角。适当调整迎角可以最大化升力，但如果角度过大，会导致失速现象。失速是指气流不再平滑附着于机翼表面，造成升力急剧下降。通过实际操作模型飞机，可以让孩子们体验迎角对飞行性能的影响。

　　设计考量因素

翼展与展弦比：翼展指的是从一侧翼尖到另一侧翼尖的距离，而展弦比则是翼展与平均翼宽的比例。较大的翼展和较高的展弦比有助于提升升力同时降低诱导阻力，但对于结构强度和机场设施提出了更高要求。

翼尖涡流：当飞机飞行时，翼尖处会产生旋转的气流，即翼尖涡流。这种涡流会增加阻力并影响后续飞行器的安全性。现代飞机常采用翼梢小翼（winglets）或锯齿状翼尖来减轻这一效应。

实际应用示例

模型飞机展示：使用各种类型的模型飞机进行现场演示，包括固定翼模型、直升机模型甚至是遥控多旋翼无人机。通过改变机翼形状、大小和其他参数，看到不同设计影响飞行性能。

例如，展示一个拥有较大翼展的滑翔机模型与一个具有较小翼展但速度快得多的喷气式模型之间的对比。

通过上述详细解释和互动实验，不仅可以获得关于飞行四力的基础知识，还能深入理解空气动力学的基本原理及其在实际航空工程中的应用。

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