握住科学钥匙 打开科学之门

首页 > 正文

自动驾驶:飞机进步的里程碑

2017-06-22 09:59  来源: 科普中国-科学原理一点通

 

飞机的制造历史,从模仿鸟类的翅膀,到依靠滑翔,然后靠人为操纵。进入现代,利用计算机技术,完成了在允许的条件下,把驾驶员解放出来,由设定好的程序自动驾驶。这是科学的进步,也是飞机改革中重要的里程碑。

 

飞机为什么可以自动驾驶

 

为了使飞行员不会过于疲劳,现代飞机都装有自动驾驶系统,由机载计算机控制飞机自动飞行。人们早在几十年前,就发明了自动驾驶仪。那时的自动驾驶仪简单,由高度表、陀螺仪、加速度计、简单的电路和检测飞机状态信息的设备构成。由于其精度较差,校正飞机的飞行状态经常需要飞行员去做。现代的设备精密复杂,飞机自动控制飞机准确飞行,只要有一点状态的改变就可以察觉出来。主要是利用计算机产生精确的信号,飞机航线无需飞行员人工干预,校正由卫星定位系统完成。由于计算机在有些情况下,应变能力不如人类,还需要采用人工操作。

现在的技术虽然可以使飞机自动完成降落,在没有任何特殊情况下才有保证。为了保证飞行安全,在飞机降落时,不采用计算机进行自动控制,由飞行员来操纵降落。

 

飞行员可以实现对自动驾驶仪和领航模式的控制

 

为了适应超声速飞行,飞机进行了怎样的“变身”

 

飞机在飞行中与空气作用,会导致空气的振动。空气振动传播的速度就是声速,就像水中的涟漪一样,一圈圈传播开去。当飞机的声速和速度一样快时,前一圈空气振动“涟漪”还来不及传递开,就被后一圈“涟漪”追上,叠加就会产生“激波”的剧烈振动。激波会使飞机抖动、失控,在产生巨大飞行阻力时,甚至空中解体。

一些速度较快的活塞式战斗机在第二次世界大战后期,加速俯冲速度达到约0.9倍声速时,就容易发生这样的情况,有的机毁人亡。当时的飞机以突破声速,这种现象称之为“音障”,飞机在接近声速时,难以逾越,就像撞到墙一样。

 

米格-25“狐蝠”

 

人们发现:飞行的速度并不是机翼上出现激波时的气流速度,而是机翼前缘垂直方向上的气流速度。如果采用后掠翼,垂直机翼前缘的气流速度分量会低于飞行速度。与平直机翼飞机相比,在更高的速度下才会出现激波,从而推迟了激波的产生。

声速突破后,想再提高飞行速度,碰到另一个障碍,即“热障”。飞机飞行速度超过2.2倍声速,由于空气在机翼、机身的前缘,被剧烈压缩导致强烈的气动加热,产生高达数百摄氏度的高温,对机体材料产生很大的影响。飞机一般都是用铝合金做蒙皮,铝合金的强度尚可维持,小于2.2倍的声速,达到3倍声速后,铝合金就不能满足要求了。

飞机要采用其他的耐高温材料,可按热障速度飞行的。如采用钛合金作为结构材料,美国的311-71“黑鸟”;采用不锈钢的苏联的米格-25。普通喷气发动机的工作效率已不能满足要求,飞行速度超过3倍声速时,需要采用其他的发动机。例如,飞行速度达到3倍声速时的“黑鸟”,以保证高速飞行时的效率,发动机就通过某种机构变化使其变成冲压发动机。

 

飞机发动机

 

飞机的“心脏”为什么说是发动机

 

鸟类靠翅膀飞行,产生向前的推力和向上的升力是扇动翅膀。人类的早期就模仿鸟类制造扑翼机飞行实践,希望用鸟类的办法飞上天空,类似的尝试都以失败了告终。

后来,人们改变了思路,不再使用同一个部件,把产生向前推力和向上升力的部件与动作分开,用一种动作煽动“翅膀”同时完成两个任务。这个思路采用的结果,推动空气或利用喷气的反作用力利用螺旋桨来产生向前的推力,使飞机产生速度。这是个很聪明的办法,由此产生的气流流过机翼形成压力差,产生向上的升力。飞机飞行时所需要的动力大大降低了。

如果人类靠自己的力量飞上天空,用鸽子一样的方式,有科学家计算过,我们要有一米厚的胸肌。人如果靠人力驱动一个螺旋桨来提供推力,坐在固定机翼的飞行器中,那么这样的人力飞机,已经可以飞行超过1000千米。通过把升力和推力的产生机制分开的方式,飞行的效率大大提高了。飞机发动机在一定的速度范围内,速度越快,动力越强劲,升力也就越大。所以说,发动机不仅是产生升力的源泉,也为飞机提供了速度。发动机与飞机飞行性能的好坏有着直接的关系,飞机具有优良的性能,只有优秀的发动机才能使它实现。这就如人类的心脏,人体的好坏全靠心脏支撑,所以发动机是飞机的“心脏”就成为人类最爱的表达方式。

本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创 转载时务请注明出处

 

作者: 陆 梦   [责任编辑: 吕芮光]