2.1　航空器

2.1.1　航空器概述

1. 航空器的定义

根据国际民航组织的定义，航空器是指由人创制的、可以从空气的反作用力（不包括空气对地面的反作用力）中取得支撑力而离开地面飞行的机器的总称。

航空器的应用比较广泛。在军事上，它可用于反潜，运输兵员、武器和作战物资；在民用上，可完成货运、客运，以及农业、渔业、林业、气象、探矿、空中测量、空中摄影等方面的任务。此外，航空器还是进行科学研究的一种重要工具。在航天器出现之前，许多有关高空气象、大气物理、地球物理、地质学、地理学等方面的研究工作，都借助航空器进行。即使在航天器出现之后，由于航空器的价格较低、运用方便，仍是在高空进行科学研究的重要工具。

2. 航空器的分类

任何航空器都必须产生一个大于自身重力的向上的力，才能升入空中。根据产生向上力的基本原理的不同，航空器可划分为轻于空气的航空器和重于空气的航空器两大类，前者靠空气静浮力升空，又称浮空器，后者靠空气动力克服自身重力升空。

（1）轻于空气的航空器。

气球和飞艇属于轻于空气的航空器，靠空气的浮力飞行。根据阿基米德原理，气球和飞艇升空是因为它们排开的空气重量等于或大于它们自身的重量。

气球是没有驱动力驱动的轻于空气的航空器，它是一个轻质密封的气囊，充入热空气或轻气体，依靠风力推进。

飞艇又名可操纵的气球，即可在垂直方向做升降操作，又可在水平方向操纵。操纵的方法是靠发动机和螺旋桨推动前进，并靠方向舵来控制方向，同时由水平安定面来保持纵向稳定。

气球和飞艇的主要区别是前者没有动力装置，升空后只能随风飘动，或者被系留在某一固定位置上，不能进行控制；后者装有发动机、安定面和操纵面，可以控制飞行方向和路线。

（2）重于空气的航空器。

重于空气的航空器能升空是因为气流通过机翼时产生的升力克服了其自身的重力，包括以下几种。

① 滑翔机。滑翔机有机翼、机身、尾翼和起落装置，是一种没有动力驱动的重于空气的航空器。滑翔机升空以后靠自身重量进行滑翔飞行。滑翔机是训练飞行员的良好工具，也可以用于体育运动。

② 直升机。直升机是一种重于空气而且有动力驱动的航空器，由一个或多个在基本垂直的轴上自由转动的旋翼上的空气反作用力支持其在空中飞行。直升机具有独特的飞行方式，能垂直起落，在空中悬停和定点转弯，还能在空中前进、左右横行甚至倒退。因此，直升机可用于海上石油勘探平台作业、应急救援等。

③ 飞机。飞机是由动力装置产生前进动力，由固定翼产生升力，在大气层中飞行的重于空气的航空器。飞机是目前应用最广泛的航空器。

案例2-1

1903年莱特兄弟驾飞机升空

1903年12月17日，世界上第一架载人动力飞机在美国北卡罗来纳州的基蒂霍克飞上了蓝天。这架飞机被叫作“飞行者1号”，它的发明者就是美国的威尔伯·莱特和奥维尔·莱特两兄弟。当天上午10点，天空低云密布、寒风刺骨。被莱特兄弟俩邀请来观看飞行的农民冻得瑟瑟发抖，一再催促兄弟俩快点飞行。

第一次由奥维尔试飞。他爬上飞机，俯卧在驾驶位上。一会儿，发动机开始轰鸣，螺旋桨也开始转动。突然，飞机滑动起来，一下子升到3米多高，随即水平地向前飞去。

“飞起来啦！飞起来啦！”几个农民高兴地呼喊起来，并且随着威尔伯，在飞机后面追赶。飞机飞行了30米后，稳稳地着陆了。威尔伯冲上前去，激动地扑到刚从飞机里爬出来的弟弟身上，热泪盈眶地喊道：“我们成功了！我们成功了！”

45分钟后，威尔伯又飞了一次，飞行距离达到52米。又过了一段时间，奥维尔再一次飞行，这次飞行了59秒，距离达到255米。

这是人类历史上第一次驾驶飞机飞行成功，莱特兄弟把这个消息告诉报社，可报社不相信有这种事，拒不发布消息。莱特兄弟并不在乎，继续改进他们的飞机。不久，兄弟俩又制造出能乘坐两个人的飞机，并且，在空中飞了1个多小时。

消息传开后，人们奔走相告，美国政府非常重视，决定让莱特兄弟做一次试飞表演。

1908年9月10日，天气异常晴朗，10点左右，奥维尔驾驶着他们的飞机，在一片欢呼声中，自由自在地飞向天空，两只长长的机翼从空中划过。飞机在76米的高度飞行了1小时14分钟，并且搭载了一名勇敢的乘客。

人们朝着天空，呼唤莱特兄弟的名字，多少人的梦想终于变为现实。不久，莱特兄弟创办了一家飞行公司，同时还开办了飞行学校。从这以后，飞机成了人们又一项先进的运输工具。

——摘自中国新闻网（http://www.chinanews.com）

飞机诞生100多年以来，性能有了显著提高，目前已研制出最大飞行速度超过3倍音速、飞行高度达30千米的军用飞机和载客300～500人能进行洲际飞行的客机。

飞机动力的来源类型有活塞发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机和火箭发动机等。飞机具有如下两个最基本的特征。

（1）飞机自身的密度比空气大，并且是由动力驱动前进的。

（2）飞机有固定的机翼，机翼提供升力使飞机翱翔于天空。

这两条缺一不可，不同时具备以上两条特征者不能称之为飞机。比如，一个飞行器的密度小于空气，那它就是气球或飞艇；如果没有动力装置、只能在空中滑翔，则被称为滑翔机；飞行器的机翼如果不固定，靠机翼旋转产生升力，就是直升机或旋翼机。

飞机是目前最常见的航空器，下面重点介绍飞机的构成和分类。

2.1.2　飞机的构成与特点

1. 飞机的结构

大多数飞机由5个主要部分组成，即机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置，如图2.1所示。

（1）机翼。

机翼的主要功能是为飞机提供升力，以支持其在空中飞行，也起到一定的稳定和操纵作用。机翼上一般安装有副翼和襟翼，操纵副翼可使飞机滚转，放下襟翼能使机翼升力系数增大。另外，机翼上还可安装发动机、起落架、油箱等。机翼有各种形状，数目也可以不同。早期航空技术不发达，为了提供更大的升力，飞机以双翼机甚至多翼机为主，但现代飞机一般是单翼机。

在机翼的设计过程中，经常面临飞机的稳定性和操作性的矛盾。上单翼飞机好像提起来的塑料袋，非常稳定，但是操作性稍差；下单翼飞机好像托起来的花瓶，操作性很灵活，但是稳定性稍逊一筹。所以民用飞机一般采用上单翼设计，而表演用途或者其他对操作性要求高的飞机都采用下单翼设计。

（2）机身。

机身的主要功能是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备，还可将飞机的其他部件，如尾翼、机翼及发动机等连接成一个整体。但是飞翼式飞机是将机身隐藏在机翼内的。

（3）尾翼。

尾翼包括水平尾翼（平尾）和垂直尾翼（垂尾）。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵（某些型号的民用机和军用机整个平尾都是可动的控制面，没有专门的升降舵）组成。垂直尾翼则包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的主要功用是操纵飞机俯仰和偏转，以及保证飞机平稳地飞行。

（4）起落装置。

起落装置又称起落架，是用来支撑飞机并使其能在地面和其他水平面起落和停放的装置。陆上飞机的起落装置，一般由减震支柱和机轮组成，此外还有专供水上飞机起降的带有浮筒装置的起落架和雪地起飞用的滑橇式起落架。它用于起飞与着陆滑跑、地面滑行和停放时支撑飞机。

一般的飞机起落架有3个支撑点，根据这3个支撑点的排列方式，一般分为前三角起落架和后三角起落架。前三角起落架采用的是前面一个支撑点、后面两个支撑点的形式，使用此类起落架的飞机往往静止时仰角较小，起飞滑跑时提速快，当速度达到一定值时，向后拉起操纵杆，压低水平尾翼，这时前起落架会稍稍抬起，瞬间机翼的两面风速差达到临界，飞机得到足够的升力后即可起飞；后三角起落架采用的是前面两个支撑点、后面一个支撑点的形式，使用此类起落架的飞机往往静止时仰角较大，当飞机在跑道上达到一定的速度时，机翼两面的风速差即可达到一个临界，此时后起落架会被抬起，驾驶员继续推油门杆，同时向后拉操作杆以控制飞机平衡，当速度达到一定值时，飞机即可起飞。

（5）动力装置。

动力装置主要用来产生拉力或推力，使飞机前进。其次，它还可以为飞机上的用电设备提供电力，为空调设备等用气设备提供气源。

现代飞机的动力装置主要包括涡轮发动机和活塞发动机两种，应用较广泛的动力装置有4种，即航空活塞式发动机加螺旋桨推进器、涡轮喷射发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机。随着航空技术的发展，火箭发动机、冲压发动机、原子能航空发动机等也有可能会逐渐被采用。动力装置除发动机外，还包括一系列保证发动机正常工作的系统，如燃油供应系统等。

对于飞机的动力装置而言，推重比非常重要。推重比是指飞机的推力与飞机所受到的重力的比值。目前，一般的民用飞机的推力小于飞机的重力，因为每增加1千牛（kN）的推力，就要增加飞机的制造成本，所以很多飞机都有一定的爬升速度和爬升角度。当飞机的推力大于飞机的重力时，飞机可以实现高速爬升甚至垂直爬升，很多需要高机动性能的飞机，比如战斗机等都有很大的推力和很小的重力。

另外，等同重力的要求下，飞机的推力越大，机翼面积就越小，飞机巡航阻力也就越小，速度就越快，滑跑距离就越长。

飞机除了上述5个主要部分外，还装有各种仪表、通信设备、领航设备、安全设备和其他设备等。

2. 飞机的特点

（1）飞机的优点。

① 速度快。目前喷气式客机的时速约900千米。

② 机动性高。飞机飞行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔，而且可根据客源、货源数量随时增加班次。

③ 安全舒适。据国际民航组织统计，民航平均每亿客千米的死亡人数为0.04人，是普通交通方式事故死亡人数的几十分之一到几百分之一，和铁路运输并列为最安全的交通运输方式。

（2）飞机的局限性。

飞机作为交通工具也有其局限性，主要表现在以下几点。

① 价格昂贵。无论是飞机本身还是飞行所消耗的油料，相对其他交通运输方式价格都高昂得多。

② 受天气情况影响大。虽然现在航空技术已经能适应绝大多数气象条件，但是比较严重的风、雨、雪、雾等气象条件仍然会影响飞机的起降安全。

③ 起降场地有限制。飞机必须在飞机场起降，一个城市最多不过几个飞机场，而且机场受周围净空条件的限制多分布在郊区。由于从飞机场到市区往往需要一次较长的中转过程，由此给高速列车提供了800千米以内距离的城际运输市场空间。

因此飞机只适用于重量轻、时间要求紧急、航程又不能太近的运输。除此之外，飞机的另一大特点就是单次事故死亡率高。

2.1.3　飞机的分类

1. 按飞机发动机的类型分类

（1）螺旋桨式飞机。

螺旋桨式飞机利用螺旋桨的转动将空气向后推动，借助其反作用力推动飞机前进。螺旋桨的转速越高，飞行速度越快，但当螺旋桨的转速高到某一程度时，会出现“空气阻碍（Air Barrier）”现象，即螺旋桨四周已成真空状态，即使螺旋桨的转速再加速，飞机的速度也无法提升。

（2）喷气式飞机。

喷气式飞机最早由德国人在20世纪40年代制成，是将空气多次压缩后喷入飞机燃烧室内，使空气与燃料混合燃烧后产生大量气体以推动涡轮，然后于机后以高速度将空气排出机外，借助其反作用力使飞机前进。它的结构简单，制造、维修方便，节约燃料费用，装载量大，使用率高（每天可飞行16小时），它的优点是结构简单、速度快，一般时速可达500～600英里（1英里=1 609.344米），燃料费用节省，装载量大，一般可载客400～500人或100吨货物。目前已经成为世界各国机群的主要机种。

2. 按飞机的飞行速度分类

（1）亚音速飞机。

亚音速飞机又分为低速飞机（飞行速度低于400千米/小时）和高亚音速飞机（飞行速度马赫数为0.8～8.9）。多数喷气式飞机为高亚音速飞机。

（2）超音速飞机。

超音速飞机是指航行速度超过音速的飞机。例如，英国和法国在20世纪70年代联合研制成功的协和式（Concorde）飞机。目前，超音速飞机由于耗油大、载客少、造价昂贵、使用率低，使许多航空公司望而却步。又由于噪声很大，被许多国家的机场以环境保护的理由拒之门外，或者被限制在一定的时间起降，更限制了其发展。

3. 按飞机驾驶的类型分类

（1）有人驾驶飞机。

有人驾驶飞机是由机上飞行员在驾驶舱进行操作和控制的飞机。它由机上飞行员根据最直接和真实的飞行情况来决定下一步操作，相对于无人机而言更加安全可靠。

（2）无人驾驶飞机。

无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），简称无人机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵，或者由机载计算机完全地或间歇地自主操作的不载人飞机。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对环境要求低、生存能力较强等优点。近年来，随着无人机相关技术的飞速发展，无人机产业发展十分迅猛。无人机可以广泛运用于城市管理（交通巡逻和治安监控等）、农业监测、地质遥感测绘、环境监测、电力巡检、抢险救灾、快递物流和航空摄影等民用领域。

4. 其他分类

（1）按飞机的用途分类。

分为国家航空飞机和民用航空飞机。国家航空飞机是指军队、警察和海关等使用的飞机；民用航空飞机主要是指民用飞机和直升机，民用飞机指民用的客机、全货机和客货两用机。客机主要运输旅客，一般行李装在飞机的腹舱。直至目前，由于航空运输仍以客运为主，客运航班密度高、收益大，所以大多数航空公司都采用客机运输货物。不足之处是，由于舱位少，每次运输的货物数量都十分有限。全货机运量大，可以弥补客机的不足，但经营成本高，只限在某些货源充足的航线使用。客货混合机可以同时在主甲板运输旅客和货物，并根据需要调整运输安排，是最具灵活性的一种机型。

（2）按飞机的发动机数量分类。

分为单发（动机）飞机、双发（动机）飞机、三发（动机）飞机、四发（动机）飞机。

（3）按飞机的航程远近分类。

分为远程、中程、近程飞机。远程飞机的航程为11 000千米以上，可以完成中途不着陆的洲际跨洋飞行。中程飞机的航程约3 000千米，近程飞机的航程一般小于1 000千米。近程飞机一般用于支线，因此又称支线飞机。中、远程飞机一般用于国内干线和国际航线，又称干线飞机。

中国民航局按飞机客座数，将飞机分为小、中、大型飞机，客座数在100座以下的为小型，100～200座之间为中型，200座以上为大型。根据中国民航局发布的《2016年民航行业发展统计公报》显示，截至2016年年底，民航全行业运输飞机期末在册架数2 950架，比上年年底增加300架。其中，大中型飞机2 789架，占飞机总数的94.5%；小型飞机161架，占飞机总数的5.5%；通用航空企业在册航空器总数达到2 096架，其中教学训练用飞机621架。

2.1.4　主要飞机简介

1. 波音公司主要型号

波音公司（The Boeing Company）飞机的主要型号有波音707、波音727、波音737、波音747、波音757、波音767、波音777和波音787梦想飞机。

波音737系列飞机是美国波音公司生产的一种中短程双发喷气式客机，每天天空中都有近1 000架737在飞翔。波音737系列包括737-100/-200/-300/-400/-500，新一代波音737系列包括737-600/-700/-800/-900。传统型波音737飞机已经停产。

波音747飞机是美国波音公司研制、生产的四发（动机）远程宽机身民用运输机，是全球首架宽体喷气式客机，其研制与销售都很成功。自波音747飞机投入运营以来，一直是全球最大的民航机，垄断着大型运输机市场，直到竞争对手空中客车A380大型客机出现。

波音787又称“梦想客机”（Dreamliner），是中型双发（动机）宽体中远程运输机，是波音公司1990年启动波音777计划后14年来推出的首款全新机型。该项目由波音民用飞机集团（BCA）负责开发，于2004年4月正式启动，如图2.2所示。经多次延期后，波音787于美国时间2009年12月15日成功试飞，于2011年9月26日正式交付使用。

沈阳飞机工业集团公司参与了生产787垂直尾翼前缘组件等工作，这是中国公司首次从一开始就参与一个全新客机生产制造项目。

2005年1月28日，波音公司与原中国航空器材进出口集团公司（代表6家中国的航空公司）就销售60架波音787梦想飞机签订框架协议。按照平均目录价格计算，此协议总价值约为72亿美元。此次订购的飞机将交付给中国的6家航空公司——中国国际航空股份有限公司、中国东方航空股份有限公司、中国南方航空股份有限公司、海南航空控股股份有限公司、上海航空股份有限公司和厦门航空有限公司使用。

2005年8月8日，框架协议中的42架波音787型飞机的购买协议正式签署，其中中国国际航空、中国东方航空各购买15架，上海航空购买9架，厦门航空购买3架，这42架均为波音787-8型。后来厦门航空退订了787，原因不明。

自中国南方航空于2013年6月2日迎来中国民航引进的首架787飞机以来，中国的航空公司已陆续引进30多架787飞机，截至2016年8月，中国的航空公司订购和意向订购的波音787飞机已经超过100架。2016年，全球有75条直飞中国的航线由波音787执飞。

2. 空中客车主要型号

空中客车公司（Airbus）飞机的主要型号有空中客车A300、A310、A320、A330、A340、A350、A380。

空中客车A320系列飞机包括A318、A319、A320和A321，它们组成了单通道飞机系列。

空中客车A380是欧洲空中客车工业公司研制生产的四发远程550座级超大型宽体客机，投产时是全球载客量最大的客机。A380为全机身长度双层客舱四引擎客机，采用最高密度座位安排时可承载850名乘客，在典型三舱等配置（头等、商务、经济舱）下也可承载555名乘客。A380在投入服务后，打破波音747在远程超大型宽体客机领域统领35年的纪录，同时也结束了波音747在大型运输机市场30年的垄断地位。