飞机原理

飞机腾空的原理 —by Rod Machado 往往，我们不需要完全懂得机械设备背后的原理，就可以知道如何操作它们。 娶不到老婆的那阵子，我爸爸送我一部吸尘器当生日礼物。几个月后我妈打电话问我：“你找得到吸尘器的袋子吧？”我说：“袋 子？什么袋子？” 我哪知道这玩意儿得用到袋子啊？ 对机械原理一窍不通，并非全然没有好处；不过在高空飞行时，那可就另当别论了。要成为飞行员，并不要求你非得是航空动力学博 士不可，只要稍微了解飞机能够在空中保持漂浮的原理，懂得某些基础入门、进而比较深入的概念，就派的上很大用场，甚至确保个 人平安。这也是为什么第一堂地面训练课程特别长。 别担心，你不用把整套课程一字不漏地背到滚瓜烂熟，不过，我希望你能确实把全部的内容好好地读过一遍，基本上脑袋瓜里还是得 要有些东西（至少要有些专业上的认识）。这堂课正是你入门的起点。 愿四原力与你同在 “四原力”好像是哪个摇滚乐团的名字？不是啦。这些力量，指的是飞机航行时机身所受到的作用力。飞机一旦起飞，这四种基本作 用力就会如影相随：升力（lift）、重力（weight）、推力（thrust）与阻力（drag）。 图1－1说明了这四种基本力的作用情形。 当然，图上的这些大箭头只是为了为了图示的方便，并没有这样的箭头真的从飞机里射出来。这些箭头的确为我们展示着一场高度竞 争的新游戏：四路作用力相互拔河。身为飞行员，你的工作就是活用手边的资源来调和这些力量。现在我们就来看看，这些力究竟如 何对飞机产生作用。 升力 机翼的运动在穿越空气时，会产生一股向上作用的力量，这就是升力。机翼的前进运动，会让上下翼面所承受的压力产生轻微的差 异，这个上下差异，就是升力的来源。由于升力的存在，飞机才能够维持在空中飞行。 重力 重力是向下的作用力。由于飞行员可以决定飞机的载重大小，所以某种程度上，你可以说这是人力可以控制的力量。除了燃料随着旅 程慢慢消耗之外，飞机的实际重量在航程中不大容易变动。 在等速飞行中（飞机的速度与方向保持一定不变），升力与重力维持着某种平衡。 推力和阻力 引擎驱动螺旋桨后，所产生的前进力量就是推力。大多数情况下，引擎越大（表示马力越足），所产生的推力就会越大，飞机前进的 速度也就越快（直到某个极限为止）。只要任何交通工具运动前进，永远都会遇到一个空气动力学上的障碍：阻力。阻力会让飞机产 生一股向后的拉力，道理很简单，当你的运动穿过大气层的分子时，这些分子就会产生撞击推挤，阻力就是这么来的。这可以简称为 “风阻”（不过飞行员和工程师们比较少用这个词）。很少东西逃得过自然法则的约束。这个道理，恐怕孔夫子早在几千年前就说过 了。 课程 1: 直线水平飞行 现在飞这个课程 图 1-1 飞机飞行时所承受的四种作用力。 1-升力, 2-推力, 3-重力, 4-阻力 Page 1 of 10Flying Lessons 2012-2-24file://C:\fly 2004\FSWeb\Lessons\Student\Studentlessons01.htm Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 推力为飞机加速，不过机身受到的阻力才是决定真正飞行速度的关键。当飞机的速度增加，相对地，阻力也会增加。由于大自然的强 悍力量，飞机的速度每提高一倍，实际上将会产生四倍的阻力；最后，向后作用的阻力与引擎产生的推力相等，飞机就会因此保持一 定的速度飞行。 维持慢速前进时，所需的推力较小，相对的阻力也没有那么大。以低于汽车极速的任何速度行驶，省下来的多余推力（马力）可以转 作其他用途，例如加速超车，或者帮电池充电也可。 飞机的道理也一样。在水平飞行时，以低于极速的任何速度运动，就能够拥有一些多出来的力量（推力）。多出来的推力可以应用来 进行航空飞行最重要的动作 － 爬升。 听完这些介绍，我想你可以开始开始学习初步的飞机控制了。 飞行控制 如果你天生就是当飞行员的料，你大概正秉着极大的耐心，一心盼望我们开始进入飞行控制的主题。是的，连甘地都会为你的耐心喝 采，只可惜他老人家不在这儿，只有委屈你听我的称赞了。图1－3显示穿过机身的三道想像轴线。籍着你的控制，飞机可以围绕一 道、或多道的轴线旋转运动。 纵轴（longitudinal axis）也称“长轴”，从机头穿透机身的中心，从机尾拉出来。当飞机进行滚转（roll）或者侧倾（bank）动作 时，会沿着这道轴线旋转机身。 从一边的机翼末端，穿过机翼、机身，再从另一边机翼延伸到末端拉出来的轴线，就成为侧轴（lateral axis）。围绕着侧轴，飞机可 图 1-2 汽车的 1-推力，由引擎产生 2-阻力，原自空气分子造成的阻力 图 1-3 飞机三道想像的轴线 1-垂直轴 (偏航), 2-纵轴 (滚转), 3-侧轴 (俯仰) Page 2 of 10Flying Lessons 2012-2-24file://C:\fly 2004\FSWeb\Lessons\Student\Studentlessons01.htm Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 以进行俯仰（pitch）动作。 飞机由上往下通过机身重心，有一道垂直轴（vertical axis），正好穿过座舱与机腹的位置。飞机围绕这道轴线偏航（yaw）。我们可 以用伸懒腰的动作，来模拟偏航运动：早上起床将双手平举，然后站直，向左或向右旋转，就可以将脊柱想像成一道垂直轴，而你正 绕着它偏航。 好啦，你已经具备飞机围绕着轴线飞行的概念了，因此，我们可以开始探讨主要的三种飞行控制了。 副翼 副翼（aileron）是位于机翼后缘的可移动的控制片。它们的功用，是让飞机随着你所希望的方向进行侧倾（或称“压坡度”）与滚转 动作。当你向右转动驾驶盘（control wheel）,如图1－4所示的那样，两片副翼就会在同一时间内，以彼此相反的方向偏摆（这不是机 械故障，本来就是这样设计的）。左翼的副翼放下，左翼所承受的升力就会提高；右翼的副翼升起，右翼的升力便会降低。升力的差 异，将会让飞机向右侧倾。 当驾驶盘向左转（如图1－5所示），左侧副翼升起，减少左翼所承受的升力；右侧副翼同时也会下降，曾高右翼的升力。这样一来， 飞机便开始朝左侧倾。 图 1-4 向右侧进行侧倾。观察两边的副翼如何引导飞机滚转。 1-副翼降下，升力增加； 2-副翼升起，升力下降。 图 1-5 向左侧进行侧倾。观察两边的副翼如何引导飞机滚转。 1-副翼升起，升力下降； 2-副翼降下，升力增加。 Page 3 of 10Flying Lessons 2012-2-24file://C:\fly 2004\FSWeb\Lessons\Student\Studentlessons01.htm Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 副翼让某一侧的机翼所承受的升力提高，同时减缓相对一侧机翼的升力。两翼升力的差异可以让飞机侧倾，只要根据需求来调整升力 差距即可。 升降舵 升降舵（elevator）是位于飞机后端的可移动水平控制面（图1－6）。它的作用是让飞机调整俯仰角度。 控制升降舵与副翼，在航空动力学原理上是同一回事。将驾驶盘往后拉（如图1－6所示），就可以让升降舵控制面向上移动，机尾下 方压力减低。于是机尾下降，机头则以仰角抬升。 在图1－7中，将驾驶盘往前推，升降舵控制面向下移动，如此一来，机尾上方的压力会下降，机尾因此开始上升，机身会沿着侧轴向 机头方向垂倾，造成机头下降。 图 1-6 升降舵控制，可以改变飞机的俯仰角度。 机尾下降 (1) 因为升降舵 (2) 升高。 What the Heck is "Back Pressure?" "Applying back pressure" is another one of those terms that sounds strange to non-pilots. It doesn't mean you'll be giving your instructor some sort of in-flight massage (as nice an idea as that may be). Rather, it refers to the action when a pilot pulls back—gently—on the airplane's control wheel. The phrase probably came about as the result of an instructor who realized that novice students have a tendency to take the phrase "pull back on the wheel" a little too literally and yanked the wheel back hard… a maneuver I don't recommend. Page 4 of 10Flying Lessons 2012-2-24file://C:\fly 2004\FSWeb\Lessons\Student\Studentlessons01.htm Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 简单的说，要想抬升机头，就将驾驶盘往后拉；要想降下机头，将驾驶盘往前推就行了。 还有第三种飞行控制，也就是方向舵（rudder），让飞机绕着垂直轴偏航。我们稍后再回头讨论这个部分。不过我还是希望能确定一 下，你不会以为我是因为上课用的小抄不见了才这么说。 你已经具备如何进行飞行控制的基本概念了，现在让我们将注意力转到飞机上面，讨论一下如何进行实际的飞行演练：平直飞行。 平直飞行 接下来你要开始进行平直飞行练习了，平直飞行（straight-and-level flight）是最基本的飞行演练之一，而“平直”两个字听起来，是 不是会让你以为是两个不同的飞行动作呢？嗯，你想的一点也没错。平直飞行表示飞机朝某个特定的方向行进，机翼与地平线保持平 行；平直飞行指的是飞机不增加或降低高度的飞行状态。 平直飞行时，图1－8 所显示的就是坐在左边座位的你（驾驶员）眼中的景象。图片显示我们正朝着远山一路前进。 别担心，教练就在旁边，而且对于闪避山脉这种事很拿手。事实上，这正是我的专业。 图 1-7 升降舵控制，可以改变飞机的俯仰角度。 机尾上升 (1) 因为升降舵 (2) 降低。 图 1-8 Page 5 of 10Flying Lessons 2012-2-24file://C:\fly 2004\FSWeb\Lessons\Student\Studentlessons01.htm Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 如何断定你正保持直线飞行 好，你怎么知道飞机保持在平直飞行状态呢？最简单的判断方法，就是对着机窗（前窗）观察仪表板。图1－8显示出仪表板的上缘与 远方的天地线近乎平行。这表示你的机翼没有侧倾，也就是说，你正朝着前方直线飞行，没有偏转的迹象。 还有一个方法，也可以告诉你飞机是否正保持直线飞行。你可以按下苦力冒（hat switch）,也就是摇杆最上面中间的按键来进行观察。 如果你从左侧或者右侧的机窗看出去（如图1－9所示），可以看到两侧机翼与自然天地线的相对位置。在直线飞行中，两翼与与天地 线所保持的距离应该相等（这里指的是天地线，可不是山的轮廓线喔）。 在直线飞行中，两翼与与天地线所保持的距离应该相等（这里指的是天地线，可不是山的轮廓线喔）。 以正确的姿态飞行 实际在驾驶飞机时，我会鼓励学生保持向左右两侧机窗观察景物的习惯。这个一帮助他们观察到机翼的位置，同时集中精神留意空中 的交通（traffic）。我说交通，可不是要你观察地面的车流以报道路况，我是指其他同样在空中飞行的飞机。不过在模拟飞行中，要你 不断地按键来移转左右机窗的视野，实在是太难为你了，所以你可以直接运用姿态仪（tattitude indicator; AI）来维持平直飞行。姿态 仪位于六大主要飞行仪表上排正对你的位置（如图1－10所示）。 图 1-9 Page 6 of 10Flying Lessons 2012-2-24file://C:\fly 2004\FSWeb\Lessons\Student\Studentlessons01.htm Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 姿态仪是根据自然天地线所设计的模拟天地线。顾名思义，姿态仪显示出飞机的姿态（俯仰角度、机翼与天地线的侧倾坡度）。姿态 仪上半部分的底色是蓝色（天空的颜色是也，除非你住的城市空气污染太严重了），下半部分是棕色（代表你脚下的大地）。天地两 色之间，有一条白色的细线代表人工天地线。当飞行员受限于低能见度而看不到自然天地线、或无法分神观测机翼位置时（这将是你 从事从事模拟飞行的真实写照），可以参考姿态仪来飞行。 向左拉动摇杆，飞机会朝左斜倾，这个动作会让飞机的左翼往地面侧倾（如图1－11A所示）。 这是你进行左转弯的方式。你会留意到，姿态仪里面的小飞机（橙翼）的左翼，也会向地面偏斜。以机械的观点来说，移动的其实是 姿态仪里面的球，对应小飞机将将飞机现阶段的姿态呈现出来。只要通过姿态仪判断哪一道机翼正在朝地面倾斜，你永远可以知道飞 机侧倾的方向（这很容易判断，因为飞机也就只有这么两片机翼）。 依照上述的方法，轻轻将摇杆向右拉动，姿态仪会显示一个右转动作。这回轮到右翼向地面倾斜了（图1－11B）。向左右两边调整摇 杆，等到两侧机翼同时与人工天地线保持平行后（图1－11C），将摇杆回归中间位置，让飞机恢复直线飞行（如图1－11C所示）。总 之，只要机翼没有倾斜，飞机就不会转向。 掌握你的航向 还有一个方法可以判断你是否保持者直线飞行。此时我们要介绍的是航向指示器（heading indicator）的运用。 图 1-10 图 1-11A 图 1-11B 图 1-11C 图 1-12 Page 7 of 10Flying Lessons 2012-2-24file://C:\fly 2004\FSWeb\Lessons\Student\Studentlessons01.htm Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 图1－12所示的，就是飞机的航向指示器，有时也称作方向陀螺仪（directional gyro）。它位于六大主要仪表（我们很快地就会讨论到 它们）下排的正中。你可以把航向指示器想像成一个机械式罗盘，功能就是指出你的航向。也请你留意一下航向指示器上所显示的数 值，在每个数字后面加一个零，得到的就是飞机的航向。换句话说，数字6代表60度航向（读作“航向洞六洞”），数字33代表300度 （我会特别大声地念出来：“航向三三洞”。飞行时，洪亮清晰的声音对通讯而言非常重要）。每30度为间隔出现一个数值，每个数 值之间会以5与10度为刻度单位。 要按照一个特定航向飞行，只要取最短的角度，直接转到该航向即可。如果你想要朝西飞行，直接调整飞机航向，直到航向指示器里 的白色飞机机头对准了字母“W”（向西，航向270度），就大功告成了。当然，如果航向保持一定，你就是在直线飞行的状态，因此也 不必考虑改变航向。这是你判断自己是否正处于直线飞行状态的另一个方法。 现在你已经了解平直飞行中的直线飞行部分了，我们接下来要讨论水平飞行的部分。 确定你在平飞 我们先看一下，倘若你的飞机机头俯仰角度发生变化时，飞机高度会出现什么影响。当你向后拉动摇杆，机头会身高，姿态仪里的小 飞机也会朝向天空（蓝色部分，正如图1－13A所示）。 姿态仪正中轴线上每间隔五度有一条刻划线，因此，当你从白色地平线向上读取时，这些刻划线分别代表了 5、10、15、和 20 度的 仰角。 查看高度表（altimeter），它位于姿态仪的右侧（图1－13B）。长的指针（百英尺指针）一般说来会随着机头上升，同时以顺时针方 向转动。就如时钟的指针一样，顺时针运动代表数值在增加，在这里数值代表的，是飞机目前所位于的海拔高度。 高度表的下方是垂直速度表（vertical speed indicator；VSI），指针向上，代表着飞机的正爬升率（图1－13B）。这些辅助显示可以 帮助你判断飞机正在爬升，而不是平飞。 摇杆归正后，飞机会恢复平飞（假定是在飞机适当配平的情况下，——我们稍后会谈到这个部分）。 当你以机头向下的姿态飞行，姿态仪也会显示小飞机朝向地面（棕色部分）的状态，如图1－14所示。 Figure 1-13 图 1-14 Page 8 of 10Flying Lessons 2012-2-24file://C:\fly 2004\FSWeb\Lessons\Student\Studentlessons01.htm Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 高度表指针倒转的时候（逆时针运转） ，显示飞行高度正在下降。 垂直速度表指针朝下的话，就会显示出下降率。我们可以说，假如高度表的长指针不动了，而垂直垂直速度表的指针归零，你就位于 平飞状态中。事实上，这才是正式飞行员确定飞机是否正处于平飞状态的确认方法。 要保证这些指针稳定，可需要相当地练习（现实中，它们多多少少会作小幅度的摆动）。水准中上的私人飞行员，只要能将飞机保持 在预定高度上下100英尺的范围里就不错了。 在互动课程里，你会练习到如何让姿态仪里的小飞机（桔翼）与人工天地线保持平行，以保证飞机直线飞行。如果机翼朝左或右方倾 斜，你就朝相反的方向拉动摇杆（运用副翼）来修正。 你也会练习到让高度表里的百英尺指针保持稳定，也就是让飞机维持平飞。指针理论上不会再动。如果动了，你就用摇杆去修正飞机 的俯仰角度，直到指针问鼎为止。一旦指针稳定了，你所得到的，就是让飞机维持平飞的俯仰姿态。 准备好进行配平修正了吗？ 飞机飞行时，会受到各种飞行动力上的影响。有的影响会让机头升高，有的则会让机头下降。引擎动力、飞机重量、以及升力等等， 都还是其中的一小部分呢。这些力量对你来说代表什么呢？好吧，如果飞机一直朝前俯冲，你总不能就这样坐着，一直往后拉着摇杆 不放吧。不停的出力去拉驾驶盘，你的手臂很快就会酸了。幸好，飞机上有称为配平片（trim tab）的设计，可以抵消除飞机外部机件 所传递到驾驶盘上的力量，进而舒解飞行员手臂的负荷。我们就来看看配平副片的作用原理，接着再介绍如何操作。 配平副片的原理 配平副片是体积不大、可动的控制面，装设在主控制面上（这里所指的是升降舵）。出现在图1－15A中的，就是配平副片与配平控制 转轮，后者用来调整配平副片的位置（在真正的飞机上，控制转轮位于两个前座之间，或仪表板的下方）。 移动配平副片，可以让控制面尾端（也就是配平副片的位置）产生轻微的压力变化。适度的压力，可以让主控制面保持定位，不必去 动到驾驶盘。你会注意到，配平副片的作用方向正好和主控制面的方向相反。如果你想要让升降舵上升（仿佛飞机要爬升时时将驾驶 盘往后拉一样），配平副片必须向下偏摆（如图1－15A）。 想要调整升降舵下降（一如飞机下降的情况），配平副片需要向上偏摆（如图1－15B）。 图 1-15A 升降舵配平的原理：机头向下的配平 Page 9 of 10Flying Lessons 2012-2-24file://C:\fly 2004\FSWeb\Lessons\Student\Studentlessons01.htm Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 你可以把配平副片想像成一只看不见的手，替你把飞机稳定在既定高度，取代你施加于摇杆的力量。你可以在摇杆上找到配平控制 器，他可能是个小转轮或按钮。 如果你的摇杆上没有装备配平功能的转轮或者按钮的话，也可以键盘上的 END 键（或者数字键盘中的 1 ）和 HOME 键（或者数字 键盘中的 7 ）来为飞机调整适当的俯仰姿态（升降舵配平）。其中 END 键提供机头上仰的配平功能， HOME 键则提供机头下降的 配平功能。 以下要告诉你如何在平直飞行中配平飞机。首先，观察飞机是否已经适度配平，然后松开摇杆，观察垂直速度表的指针动态。如果指 针显示向上旋转（飞机正在爬升），飞机就需要升降舵向下的配平。将摇杆轻轻往前推，来恢复平飞状态，然后按一次 HOME 键（或 者数字键盘中的 7 ），进行小规模的升降舵向下配平。然后松开摇杆，看看会出现什么效果。 你按配平按钮的次数愈多，配平量就愈高。所以请用点耐心，你可能需要反复这个操作程序，直到垂直速度表的指针保持相对水平、 接近零爬升率为止。 如果垂直速度表指针显示向下旋转（飞机正在下降），飞机就需要升降舵向上的配平。将摇杆轻轻往后拉，让飞机恢复平飞状态，然 后按几次 END 键（或者数字键盘中的 1 ），进行升降舵向上配平。完成之后松开摇杆，看看垂直速度表的指针有什么反应。如果必 要，重复同样的步骤，知道飞机稳定在平飞状态为止。 我倾向运用垂直速度表指针来配平飞机，因为它蛮“敏感”的。它对飞机俯仰姿态的轻微变化，会有相当灵敏的反应。这可以让你更 容易察觉偏离平直飞行的其他状况。在往后的课程里，我会讲解如何于飞机爬升与下降时，利用垂直速度表指针进行配平。 许多飞行员也会利用配平修正来控制侧倾角度（坡度），这称为副翼配平（aileron trim），你的摇杆可能也配备了这个装置。在两翼内 部的油料重量不均，或乘客集中在客舱的某一侧时，副翼配平（也可以说是坡度配平）就会派得上用场了。 不论你的飞机配平得多么完美，多少还是会出现小幅度的上下摆荡，飞行高度会在预定的上下100英尺范围内变动着。这就是飞行。既 是经过适当配平，飞机的高度或航向都难免会出现轻微的变动。除非摇晃过了头，否则你不用担心这个状况。你的职责是让飞机尽可 能地自在飞行，只要允许你自己有些时间可以考虑、规划如何安全的完成飞行，就不会碍事。 为自己骄傲一把吧，因为你已经结束第一堂地面飞行课了。 单击 现在飞这个课程 链接来练习你刚刚所学的这些内容。在下一堂地面飞行课中，我将介绍转弯的基本概念。 现在飞这个课程 - top - 图 1-15B 升降舵配平的原理：机头向上的配平 Page 10 of 10Flying Lessons 2012-2-24file://C:\fly 2004\FSWeb\Lessons\Student\Studentlessons01.htm Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.