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1、莱特兄弟从小就爱好发明,做一些小发明。有一次,他们做了一个有灯的风筝,在晚上偷放,居民恐惧万分,以为是鬼火。在成长的过程中,他们自食其力,自己制造出了自行车,还受到了热销,自己制造打印机,办了一家报社。他们越做越来劲,对飞机的制造更是情有独钟。终于在1903年12月17日,第一架载人飞机“飞机一号”试飞成功。
2、但一件又一件飞机遇难的事触动着莱特兄弟的心:飞行技师皮尔机毁人亡,重机枪发明人马克沁试飞失败,航空学家兰利连飞机带人摔入水中……航空事业连连受挫,这使大多数人认为飞机依靠自身动力的飞行完全不可能,但莱特兄弟依然坚持自己的想法,努力奋斗,曾做了200多个机翼,进行了上千次试验。莱特兄弟的亲妹妹凯瑟琳?莱特,是莱特兄弟的支柱,自从他们的母亲过世后,凯瑟琳?莱特就承担了一切家务,除了要照顾父亲,还要帮哥哥们看管自行车厂和报社。有一次,奥维尔试飞失败,凯瑟琳?莱特在医院照顾了奥维尔一个月……莱特兄弟把一生的精力投入了飞行事业,为科学事业做出了很大的贡献。
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在一个风和日丽的日子里,两个孩子猛追着在晴空中越飞越远的一只“你俩要是带翅膀的小天使就好了!”
“快变成一只能远走高飞的老鹰吧!你们就准能把风筝逮住!”……
几个过路人,见到这番情景,竟哈哈大笑地挖苦这两个气喘吁吁的孩子。
“对,人们为什么不能像鸟儿似的长出一双翅膀在空中飞翔呢?”一个
“飞”向天空的幻想在这两个幼小的心灵里萌发了。从此,他们开始留心观察鸟类高飞和滑翔时双翅的变化,并精心制作各种会“飞”的玩具。他俩长大后,仍然继续研究飞翔的原理。
科学的幻想经过人们的勤奋努力,终于变成了现实。1903年,世界上第一架飞机诞生了。这架螺旋桨飞机的发明家,正是二十年前,奋力追逐飘荡在空中断线风筝的两个美国孩子——莱特兄弟。
(1)填空。
①“追赶风筝的孩子”是指______ 。
②“几个过路人,见到这番情景”这句话中“这番情景”是指______ 。
仿生学的历史,就是人类向动物求教的历史。飞机从其诞生到广泛应用,就是人类不断向鸟儿学习的过程。
千年飞翔梦
自古以来,人类就梦想着有朝一日能飞上蓝天。看着鸟儿在白云间自由地翱翔,祖先们是多么地向往!古希腊神话中有一个动人的故事,一个名叫伊卡尔的勇敢少年,装上一对蜡做的翅膀飞上了蓝天。他越飞越高,结果太阳的热力把蜡烤融了,少年不幸掉进了爱琴海。
2300多年前,我国春秋时期著名的学者墨子,带着一群徒弟,花了三年的时间研究鸟类飞行,结果造出了一只会飞的木鸟。木鸟飞啊飞啊,在空中盘旋了一整天。同时代的能工巧匠鲁班,也曾用竹子做成一只竹鸟,试飞时竟飞了三天三夜。
相传我国汉朝有一个勇敢的“插翼人”,为了深入敌营进行侦察,曾在身上装上一对大鸟的翅膀,头上和身上插上大鸟的羽毛,结果他在空中滑翔了几百米远。据史书记载,当时的科学家张衡曾制作出一只很精致的木鸟,木鸟的身上有羽毛,鸟肚子有机关,能飞好几里路。
在国外,2000多年前的希腊人阿奇太发明过机械鸽子。15世纪时,德国人米勒制造出“铁苍蝇”和“机械鹰”,也都飞上了天。
历史上有确切记载的第一个仿鸟飞行机模型,是15世纪意大利画家和工程师达・芬奇设计出来的。他对鸟类、蝙蝠的飞行进行了长时间的观察,设计出一架扑翼机,靠人用脚蹬的方式来扑动双翼飞行。不过,这个设计当时只停留在图纸上,并没有施工,后来证明也是行不通的。
17世纪中期,法国有个名叫居尼埃的锁匠,制造了一个飞行十字架。他在肩上放着两根杆子,杆子头上各装上一对长方形的活动翼,杆头向上摆动时,活动翼收拢,向下摆动时,活动翼展开。居尼埃奋力摆动两根杆子,企图升上天,结果还是失败了。
鸟有翅膀能飞,人插上翅膀为什么飞不起来呢?
经过长期研究,人们终于了解到,鸟类能飞,不光是因为有翅膀,还在于它们的身体结构适应了飞行的需要。鸟类的身体是流线型的,骨头很轻,飞行阻力小,它的胸肌约占其体重的三分之一,是天然的发动机。鸟类还有特别发达的大片胸骨,用来附着胸肌并作为翅膀的基座。
与鸟相比,显然人的体形不是流线型,骨胳很重,肌肉又分散在全身各处,臂肌和胸肌并不特别发达。如果一个人想凭自身的力量飞行,至少需要15千克重的胸肌和臂肌,同时胸骨也要向外突出1米才行。即便如此,人体“肌肉发动机”的功率,也仅仅相当于鸟类的十分之一到四分之一,差得太远了。
要像鸟儿那样自由地飞翔,人类只有借助于机械动力的飞行器。
向鸟儿学习
公元1800年,英国科学家、空气动力学的创始人之一凯利,模仿山鹬的纺锤形,找到阻力小的流线型结构。凯利还模仿鸟翅设计了一种机翼曲线,与现代飞机机翼面曲线几乎完全相同,对航空技术的诞生起了很大的促进作用。
同一时期,法国生理学家马雷,对鸟的飞行进行了仔细的研究,他的著作《动物的机器》一书中,介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。
德国人亥姆霍兹也从研究飞行动物中,发现飞行动物的体重与身体的线度的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行物体身体大小的局限。
大约100多年以前,美国有俩兄弟立志要发明载人的飞行器,他们是威尔伯・莱特和奥维尔・莱特。兄弟俩经常到郊外去,连续几小时仰卧在地上,仔细观察老鹰的升降和盘旋。在家里,他们就一起阅读有关飞行的书籍。
在这些书籍中,法国生理学家马雷写的《动物的机器》,成了莱特兄弟的经典,英国科学家凯利的理论对兄弟俩也很有启发。
莱特兄弟经常因钻研这些飞行理论而废寝忘餐。当时,欧美已有少数人在致力行器的制造,但都没有成功。莱特兄弟汲取前人的失败教训,运用仿生的原理,用帆布、轻质木材和一台12千瓦的汽油内燃机,制成了一架简陋的螺旋桨飞机。兄弟俩把它命名为“飞行者一号”。
1903年12月17日上午10时35分,弟弟奥维尔驾驶“飞行者一号”,在哥哥威尔伯和亲友的欢呼声中起飞了。在马达的轰鸣声中,“飞行者一号”飞行了40米,在空中逗留了12秒。
这是多么值得纪念的12秒――它宣告了人类历史上第一次载人飞行获得了成功。人类在天空飞翔的梦想终于实现了!
“飞行者一号”的上天,是仿生学的巨大成功。一个多世纪过去了,当今天的人们乘坐飞机遨游蓝天的时候,不会忘记那些追梦的先驱们者们,当然,也不会忘记我们的启蒙老师――飞鸟。
永远的老师
今天的航空设计和制造领域,虽然采用了大量先进的计算机辅助设计手段,但人类还是离不开鸟类给我们的帮助。这些在大自然中经过无数次尝试与检验洗礼的“设计”,仍是激发我们创意的巨大源泉。
机翼表面与海鸟――海鸟可以通过喙部察觉出空气中的阵风荷载量,并通过调节翅膀的形状抑制升力。运用此原理,新型的空客A350-XWB通过安装在机头的探测器,可以检测风力并利用其可移动的机翼表面提高飞行效率。此设计可以进一步节能减排。
翼尖小翼与鹰隼――飞机在飞行中由于上下压差的不同,翼尖附近机翼下表面空气会绕流到上表面,形成翼尖涡,致使翼尖附近区域机翼上下表面的压差降低,从而导致这一区域产生的升力降低。这是产生诱导阻力的根源。人们通过长期观察自然界大型鸟类,比如鹰和隼,发现它们在飞行中展开翅膀向上偏折翅尖羽毛以减小阻力,从而实现远距离滑翔。受此启发,有专家提出在翼尖加装短板来减小诱导阻力。后来,设计师们不断研究,发明了翼尖小翼,并将其安装在运输飞机上,以减小飞机的阻力。
可以,但有限制。按照规定,坐飞机是可以带化妆品的。每样单件都不可以超过100毫升,并且,必须将液态物放在的瓶子里,即使液体不超过100毫升,但是瓶子超过100毫升也不可以。总液体不可超过,还要放在透明密封的塑胶袋子里。特别是国际航班的检查和要求比较严格,一定要严格遵守。
飞机是指具有一具或多具发动机的动力装置产生前进的推力或拉力,由机身的固定机翼产生升力,在大气层内飞行的重于空气的航空器。飞机是最常见的一种固定翼航空器。按照其使用的发动机类型又可被分为喷气飞机和螺旋桨飞机。
飞机是20世纪初最重大的发明之一,公认由美国人莱特兄弟发明。在1903年12月17日进行的飞行作为第一次重于空气的航空器进行的受控的持续动力飞行被国际航空联合会所认可,同年创办了莱特飞机公司。
自从飞机发明以后,飞机日益成为现代文明不可缺少的交通工具。其深刻的改变和影响了人们的生活,开启了人们征服蓝天历史。
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人生就像铁珠,有足够的重量、力量穿透那扇用华美布匹做成的事业之门,结果是,很多人穷其一生都未能穿透这块布匹,根源往往是人忘了把力量集中到一个点上,今朝把力气花在这儿,明日把力气花在那儿;今朝在这儿挖一个坑,明日在那儿掘一个洞,到最后,没一口属于自己的、能源源不断冒出清泉的井。而每一个成就一番事业的人,一生往往是干好了一件事:画家干好了画画,作家干好了写作,钢琴家干好了演奏,美食家干好了品尝,评论家干好了评论,教育家干好了教育。
莱特兄弟为着飞机上天,一辈子搞飞机,没时间结婚。他们说:“我们没有时间既照顾飞机、又照顾妻子,只能干好一件事。”莱特兄弟的话很幽默,也折射出思想的光彩。人的精力和时间都是有限的,要想做出一番事业来,就必须一心一意。有人评价比尔・盖茨之所以成为全球首富,就是因他除了软件什么也没有做,他专注地做他的软件,做到了别人望尘莫及的地步。
全世界最著名的刮胡刀是吉列牌,吉列公司只做刀片和剃须膏,一个刀片打遍天下无敌手,一个刀片做到了50亿美元的股市,这就是集中到一点上做出的惊人业绩。做任何事都必须有这样的专注,才能攻无不克,战无不胜。
要想成功,秘诀很简单,就是:做刀片的时候只做刀片,做软件的时候只做软件,做教育的时候只做教育;做刀片的时候眼睛里只有刀片,做软件的时候眼睛里只有软件,做教育的时候眼睛里只有教育。养成了这种做事的态度与心境,一个人做事的时候就能像针一样尖锐,无坚不摧,一个人做事的时候也就能不受外界纷纷扰扰的影响,就能心如止水,就能静下心来做事。人一静,一专注,做事的时候就易产生智慧,这就是佛家讲的“静能生慧”。智慧的灵光一闪现,成功也就近在咫尺。
状告瓦特
“带原告、被告上庭!”上帝重重敲了一下法锤,“原告有何冤屈,请从速讲来!”
原告哭丧着脸说:“上帝,我在凡间本是位安分守己的农夫,有一天我赶着毛驴去集市,一不小心,那只铁皮怪兽无情地从我瘦小的身躯上碾过,接着我就见到了你。那怪兽的制造者就是他——瓦特。”原告的脸上布满泪水,哽咽着,再也说不下去。
上帝阴沉着脸问瓦特:“被告,你有何申诉?”
瓦特缓缓地站了起来:“亲爱的上帝,他说的没有错。确有许多像他这样的无辜的人死在火车的车轮之下,我为他们祈祷。”瓦特耸了耸肩,话锋一转说道,“也正是火车的发明才使蜗居深山的人们有机会走出山沟,走出封闭,放眼去看山外的另一个世界;正是火车的存在,才使人们的生活发生翻天覆地的变化。世上的人们并没有因为事故而停止火车的使用,相反,火车的使用更加广泛。从蒸汽机到内燃机,从电动机车到磁悬浮列车,上帝,这连我都是始料未及的,我也为人类做了些许贡献啊!”
上帝低头沉思,一脸的茫然。
庭内的观众议论纷纷。
状告莱特兄弟
“安静!”上帝敲了一下法锤,“带第二对原告、被告!”
原告未等上帝开口,抢先说道:“我是死于2001年9月11日世界贸易大厦的金融家。我要状告莱特兄弟。那天我如往常一样在办公室里工作。突然,两架飞机像导弹一样击中大厦,我闭上了眼睛,‘上帝,保佑我吧!’话未说完,我就见到了您——上帝。是他们,是他们造的飞机剥夺了我的生命!上帝您要为我做主啊!”
上帝听到他一口一个“上帝”,心里很是惬意,茫然的脸上挂起了微笑。
莱特兄弟眼见情况不妙,朗声说道:“上帝,请你明鉴。飞机的发明,使人们的交通方式发生了巨大的飞跃,由陆地走向天空,既为人们提供了迅捷便利的交通工具,缩短了世界距离,又产生了巨大的经济效益,促进了人们生活水平的提高。我们的贡献有目共睹。至机被用作他途,你应该去找本·拉-登。”巧妙地结尾,令在场所有的人都瞠目结舌。
状告爱因斯坦
上帝伸了伸酸痛的肩背,正襟危坐:“带第三对原告、被告。”
第三位原告拄杖而立,转过身面向上帝,毕恭毕敬地鞠了一躬:“我是‘二战’期间被核武器所伤的日本公民,今诉核武器的始作俑者——爱因斯坦。”
爱因斯坦如跪针毡,迫不及待地站了起来:“我忏悔,这是我一生中最大的失误。本意是想快点结束战争,可谁知殃及无辜,给日本人民造成了极大伤害……”爱因斯坦蓬松的头发、疲倦的面容、虔诚的神情激荡着每个人的心灵。
“上帝,他仅仅忏悔是不够的。他造成的后患无穷哇!世界现存的核武器,足可以毁灭人类十几次,何止我们大和民族啊!”
“比我还狠啊!”上帝心里暗想。
“我愿为此下地狱,若能以此换回人类理智的核利用。”爱因斯坦在日本公民前地下了头!
“由于本案事关重大,我要与众天使合议。休庭!”上帝再次敲响了法槌。
在休庭期间,上帝和天使们进行合议。天使趁机把她们掌握的材料呈给了上帝,无声地注视着上帝。上帝则专注着材料:
瓦特发明蒸汽机车,虽有人因此被火车压死,但火车现在已成为人类不可缺少的交通运输工具。
目前,核电站的发电量,足以抵上1000个煤发电站,虽发生过核泄漏,人类仍然越来越垂青核能。
借助科技的力量,人类已经从地球到天空,从天空到太空,尽管和平号空间站已坠为灰烬,挑战者号、哥伦比亚号航天飞机也梦断太空,但中国的“神舟”十号载人飞船的太空之旅已获成功,国际空间站仍在继续建设。
判决书判决时,天堂法庭内的人流再次涌动起来!
“经合议,原告诉被告证据不足罪名不成立,被告当庭释放。”
1、提前两天网上购票或提前到机场买票,提前2小时到机场看机票对应的值机柜台和检查行李。
2、行李过大过重排队办理航空托运,找到对应安检口,按照机票上的登记口号码找到登机口登机。
3、飞行过程颠簸,越靠后越容易头晕,登机前吃点点心面食,不能过饱,可以在飞机上吃口香糖缓解晕机。
飞机(aeroplane,airplane)是指具有一具或多具发动机的动力装置产生前进的推力或拉力,由机身的固定机翼产生升力,在大气层内飞行的重于空气的航空器。飞机是20世纪初最重大的发明之一,公认由美国人莱特兄弟发明。
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科技,说它普通其实并不普通。例如我们平常使用的电视、电脑、手机等都是生活中普通而又常见的,在当今的社会中几乎家家都有。这些科技不仅促进了人们的交流,还增加了人们的感情。所以说它普通其实并不普通。
1804年,由英国的矿山技师德里维斯克利用瓦特的蒸汽机造出了世界上第一台蒸汽机车,一直沿用至今。后来,美国莱特兄弟在1903年12月17日设计制造的“飞行者”号飞机在卡罗来纳州的基蒂霍克试飞成功,这是世界上公认的第一架飞上天空的可操纵载人动力飞机。还有家喻户晓的爱迪生发明电灯。因为有这些科技,所以是人类的生活更加方便。
浩瀚而无际的太空,神秘而莫测,漆黑而又隐藏着无数点点星光。如果没有科技,神五就不会成功发射,杨利伟就不会登上太空;科学家也不会探索到太空的奥妙;我们也不会知道火星和地球是一对“孪生兄弟”。因为有这些科技,所以使我们能够了解更多的知识。
如果没有科技,那么人们就不能在网上购物,就不能看到有趣的新闻,就不能到处旅游,就不能看到一些新奇的东西,就不能。
编者的话:经常有航模爱好者来信询问一些航空、航模基础知识,模型飞机与真飞机的相同和不同点等各种问题。为此,本刊几年前便与北京航空航天大学飞行器设计专业的万志强博士探讨在杂志上开设有关航空、航模基础知识的专栏文章的可能性。经过两年多的准备,万博士终于完成了此系列文章的整体构思及前期文章的写作,现从本期开始连载,希望能得到大家的喜欢。
一、人类的航空壮举
当我们仰望天空的时候,总会发现时不时有飞机掠过。或许不少人会问,这样一个庞然大物,其质量少则数百千克,多则几十吨、上百吨,怎么能够如此自如地在蓝天上飞翔呢?飞行究竟需要具备哪些条件呢?
其实,关于怎样才能像鸟儿一样在蓝天上翱翔,我们的先辈们探索了数千年,设想和尝试了许多种飞天方式,但基本都以失败告终。直到1903年12月17日,美国的莱特兄弟驾驶着他们设计和制造的“飞行者”1号(图1),进行了时间不到1分钟、距离只有260m的人类历史上第一次持续而有控制的动力飞行之后,人类才真正从根本上解决了飞上蓝天的关键问题。此后,飞机越造越大、越飞越高、越飞越快、越飞越远,各方面的性能都有了翻天覆地的提高(图2~图5)。
实际上,无论是莱特兄弟设计的“飞行者”1号,还是现代的先进客机、战斗机、运输机……之所以能飞上蓝天,归纳起来是因为它们具备了飞行的3个最基本的要素:
(1)具有能产生升力的机翼,平衡飞机的重力(图6);
(2)具有能提供拉力或推力的动力系统,平衡飞机的阻力(图6);
(3)具有能控制飞机姿态的操纵系统,实现飞机按照预定的轨迹飞行。
莱特兄弟的第一次飞行,虽然飞行时间只有几十秒,飞行距离只有几百米,离地高度也只有几米,但他们的探索精神却永远值得我们学习,其成功一直激励着后人对航空航天的持续探索。
莱特兄弟的壮举,让人类开始漫步于天空,继而遨游于天宇。人们把这些能够在天空和宇宙中飞行的机器统称为飞行器。飞行器主要分为航空飞行器(简称航空器)和航天飞行器(简称航天器)。前者是指在空气中飞行的飞行器,后者是指主要在大气层外飞行的飞行器。而航模作为一种与航空器和航天器密切相关的模型,则既包括航空模型,又包括航天模型。在飞行器的发展过程中,航模发挥了重要的作用,无论是利用航模进行原理验证,还是利用航模完成载人飞机难以完成的飞行科目。现代无人机则与航模更是有密切的关系,不少无人机就是从航模发展而来的。
航空和航天技术都是高度综合的现代科学技术。力学、热力学、材料学是航空航天的科学基础;电子技术、自动控制技术、计算机技术、喷气推进技术和制造工艺技术对航空航天的进步起到了重要作用;医学、真空技术和低温技术则促进了航天的发展。上述科学技术在航空和航天的应用中相互交叉和渗透,产生了一些新的学科,使航空和航天科学技术形成了完整的体系。
航空航天的发展都与其军事应用密切相关,但人类在该领域取得的巨大进展对国民经济和社会生活也产生了重大影响,甚至改变了世界的面貌。如我们乘坐飞机旅行,使用GPS进行导航,收看海外电视直播,进行天气预报,这些都离不开航空航天的发展。航空航天科学技术是牵动其他高新技术发展的动力之一,航空航天工业是国民经济建设中的阳光产业,而航空航天产品则是附加值很高的高新技术产品。
二、翱翔天空的航空器
任何航空器要升到空中,都必须产生一个能克服自身重力的向上的力,这个力叫作升力。另外,航空器在空中的飞行还必须具备动力装置产生推力或拉力来克服前进的阻力。根据产生升力的基本原理不同,航空器分为轻于(或等于)同体积空气的航空器和重于同体积空气的航空器两大类。前者靠空气的静浮力升空,又称浮空器;后者靠与空气相对运动产生升力升空。按照不同的构造特点,航空器还可进一步细分,如图8所示。
1.轻于空气的航空器
轻于(或等于)空气的航空器包括气球和飞艇,它们先机出现。
(1)气球(图9)
气球一般无推进装置,主体为气囊,下面通常有吊蓝或吊舱。按照气囊内所充气体的种类,可分为热气球、氢气球和氦气球三种。
(2)飞艇(图10)
飞艇安装有推进装置,并可控制飞行。根据结构形式,可分为软式、硬式和半硬式三种。飞艇与气球的最本质区别就是它带有动力和操纵舵面,可按照预定的飞行方向飞行;而气球由于没有动力装置和操纵舵面,在水平方向只能随风飘移,但在垂直方向可以通过调节浮力的大小或改变质量的大小进行升降。
2.重于空气的航空器
重于空气的航空器靠自身与空气的相对运动产生空气动力升空飞行。常见的这类航空器主要有固定翼和旋转翼两类,另外还有像鸟一样飞行的扑翼航空器和新近出现的倾转旋翼航空器。
(1)固定翼航空器
固定翼航空器包括飞机(图11)和滑翔机(图12)。
飞机是指由动力装置产生前进推力或拉力,由固定机翼产生升力,在大气层内飞行的重于空气的航空器。滑翔机是指没有动力装置的重于空气的固定翼航空器。
滑翔机可由飞机拖曳起飞,也可用汽车等其它装置牵引起飞。部分动力滑翔机装有小型辅助发动机,无需外力牵引就可自行起飞,但滑翔时必须关闭动力装置。飞机和滑翔机最本质的差别在于大部分飞行时间内是否依靠动力装置。实际上,在莱特兄弟发明飞机之前,人类就已经发明了滑翔机,并为飞机的发明奠定了空气动力学和飞行操纵等方面的基础。
(2)旋翼航空器
旋翼航空器包括直升机(图13)和旋翼机(图14)。
直升机是指以航空发动机驱动旋翼旋转作为升力和推进力来源,能在大气中垂直起降及悬停并能进行前飞、后飞、侧飞、定点回旋等可控飞行的重于空气的航空器。直升机和固定翼飞机的最本质区别在于,直升机能够依靠旋翼垂直起降,对起降场地的依赖性很小;而通常意义上的固定翼飞机则只能水平起降,对起降场地的依赖性很大。相对于固定翼飞机,直升机飞行速度慢、震动大。
旋翼机是一种利用前飞时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力的旋翼航空器,全称自转旋翼机。
(3)扑翼机
扑翼机是指能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于空气的航空器(图15),又称振翼机。扑动的机翼不仅产生升力,而且产生向前的推进力。
(4)倾转旋翼机
倾转旋翼机是一种同时具有旋翼和固定翼,并在机翼两侧翼梢处各装有一套可在水平与垂直位置之间转换的旋翼倾转系统组件的飞机。旋翼倾转系统处于垂直位置时,倾转旋翼机相当于横列式直升机,可垂直起降,并能完成直升机的其它飞行动作;旋翼倾转系统处于水平位置时,旋翼倾转机则相当于固定翼飞机。现在世界上唯一有实用价值的倾转旋翼机为美国贝尔公司研制V-22(图16)。
三、遨游天宇的航天器
航天器是指主要在地球大气层以外的宇宙空间,基本上按照天体力学规律运动的各类飞行器,又称空间飞行器。与自然天体不同的是,航天器可以在人的控制下改变其运行轨道或回收。航天器为了完成航天任务,必须具备发射场、运载器、航天测控和数据采集系统、用户台站以及回收设施的配合。
航天器分为无人航天器和载人航天器。根据是否环绕地球运行,无人航天器分为人造地球卫星和空间探测器。按照各自的用途和结构形式,航天器还可进一步细分(图17)。
1.无人航天器
无人航天器包括人造地球卫星和空间探测器。
(1)人造地球卫星
人造地球卫星是数量最多的航天器(图18,图19)。人造地球卫星一般由有效载荷和平台组成。有效载荷是指卫星上用于直接实现应用目的或科研任务的仪器设备,平台则是为保证有效载荷正常工作的所有保障系统。按照卫星的用途,可分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。
(2)空间探测器
空间探测器是指对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人探测器,也称深空探测器。探测器的基本构造与一般人造地球卫星差不多,不同的是探测器携带有用于观测天体的各种先进观测仪器。
月球是人类进行空间探测的首选目标,世界上多个发达国家向月球发射了探测器(图20,图21),并进行了月球实地考察。美国和苏联早在20世纪50年代末就开始发射月球探测器,为1969年人类首次载人登月奠定了基础。
在行星和行星际探测方面,美国、欧盟、苏联和日本等国发射了多个探测器,对火星、金星、哈雷彗星、土星、木星、太阳及其星际之间进行了探测。
2.载人航天器
载人航天器是人类在太空进行各种探测、试验、研究及从事军事和生产活动所乘坐的航天器。与无人航天器的主要不同是载人航天器具有生命保障系统。目前的载人航天器分载人飞船、空间站和航天飞机三大类。
(1)载人飞船
载人飞船是载乘航天员的航天器,又称宇宙飞船。按照运行方式的不同,载人飞船分为卫星式载人飞船和登月载人飞船两类。前者载人绕低地球轨道飞行,后者载运登月航天员。苏联、美国成功实现了多次载人飞行,美国还实现了人类登月。美国的阿波罗计划是人类第一次登上月球的伟大工程(图22),美国也是目前仅有的进行过登月的国家。我国的载人航天计划采用飞船形式(图23)。“神州”号试验飞船由轨道舱、返回舱和推进舱组成。轨道舱是航天员生活和工作的地方;返回舱是飞船的指挥控制中心,航天员乘坐它上天和返回地面;推进舱为飞船的飞行和返回提供能源和动力。载人飞船的附加用途是为空间站接送航天员或运送货物。
(2)空间站
空间站是航天员在太空轨道上生活和工作的基地,又称轨道站或航天站。空间站一般采用模块化设计,分段送入轨道组装。空间站发射时不载人,也不载人返回地面,航天员和货物的运送由飞船或航天飞机完成。空间站的功能可以根据任务要求而变更或扩大,弥补了其它航天器功能单一的不足。苏联于1971年发射世界上第一个空间站。我国于2011年发射了第一个空间站――“天宫”1号(图24)。多个国家的空间站还在太空连接构成了国际空间站。
(3)航天飞机
航天飞机是世界上第一种也是唯一一种可重复使用的航天运载器,也是一种多用途载人航天器。20世纪七八十年代,美国、苏联、法国和日本等国曾经开展了航天飞机研制计划,但只有美国的航天飞机投入使用,并进行了长达30年的运行。美国自1981年成功发射其第一艘航天飞机“哥伦比亚”号(图25)之后,先后共研制使用了5艘航天飞机,其中“挑战者”号服役后因为发射失败而造成爆炸导致7名航天员全部丧生;“哥伦比亚”号服役后因为返回失败而造成爆炸导致7名航天员全部丧生;其余3艘都在2011年退休。航天飞机由一个轨道器、两个固体助推器和一个大型外挂贮箱组成,可以把质量达23 000kg的有效载荷送入低地球轨道。航天飞机提供了在空间进行短期科学实验的手段,有许多国家的航天员参加了航天飞机的飞行。
3.火箭和导弹
火箭与导弹是一类特殊的飞行器,它们均可在大气层内和大气层外飞行,但都只能使用一次。我国通常把火箭和导弹划分为航天器。
(1)火箭
火箭是靠火箭发动机提供推进力的飞行器。火箭发动机自身携带全部推进剂,不依赖空气或其它工作介质产生推力。根据使用的能源不同,火箭可分为化学火箭、核火箭和电火箭三类。化学火箭又分为固体火箭、液体火箭和混合推进剂火箭。按照用途,火箭可分为无控火箭弹、探空火箭和运载火箭三种类型。