民航科普——飞行技术专题

1. 飞机这么重，是如何在空气中飞起来的？

飞机能够飞起来，是因为空气与飞机相对运动，在机翼的上下表面产生了气压差，使得飞机获得了向上的升力。在飞机静止不动的时候，机翼各个方向的气压相等，处于平衡状态；当飞机滑跑起飞时，气流与机翼相对运动，由于机翼上下面的“迎角”及“翼型”的引流作用，气流与机翼上下表面的相互作用不同，机翼上下表面气压形成差异，飞机不再保持平衡。机翼下表面与气流“相遇”而“碰撞”，使气流减速、形成密集气团、将气流向下推动，从而使得机翼下表面承受比静态时更大的压力。机翼上表面与气流互相“分离”，表面近处接近“真空”，空气稀薄而压力较低，压差就推动空气加速向下运动来填充真空区，因此机翼上面气流速度比机翼下面气流速度要快，不断填充又不断分离，形成一种动态过程，导致机翼上表面近处持续处于空气稀薄、气流速较快、比静止时的压力更低的状态。因此，与静止时相比，机翼下面压力增大，机翼上面压力减小，一增一减，上下表面压力差就将飞机推上了天空。

飞机在空中是如何避免相撞的？

与地面交通相似，空中交通网络也是由一条条“道路”组成的，这些道路被称为“航路”。不同之处在于，地面上的道路仅有长度和宽度，是二维的；而空中的航路，除长宽要求外，还有规定的上下限高度，是三维的。飞机在空中飞行时，必须沿规定航路飞行，并且在其上下、前后、左右都需保持一定的间隔距离。

多架飞机沿不同航路经过同一汇聚点时，好比是车辆从不同方向穿越十字路口，车辆经过路口时，需要红绿灯来维持秩序，避免撞车。可是，天空中可没有什么红绿灯，为了避免相撞，就必须依靠管制员有力的指挥，管制员就是空中“交警”，守护着飞行安全。

除了管制员的指挥，空中交通告警和防撞系统(英文简称TCAS)也是防止飞机空中相撞的重要手段,它是一种不依赖于地面空中交通管制系统而为飞机提供防撞保护的机载设备﹐可以提醒机组对附近飞行的飞机实施警告,发出“咨询”信息，以便引导附近机组目视观察、根据“行动咨询”指引或飞行员自主采用“高度差”方式进行垂直机动以避免潜在的碰撞。

飞机飞行过程一般分哪几个阶段？

飞机要完成一次飞行任务要经过滑行和起飞、爬升、巡航、下降、进近和着陆几个阶段。

飞行的主要阶段

（1）滑行和起飞阶段：

飞机由机坪启动，经滑行道到达跑道端准备起飞，是滑行阶段。滑行阶段是飞机重量最大的时刻，也是驾驶员做起飞前各种准备和检查的时刻。飞机以最大功率在跑道上滑跑，当机翼的升力较飞机重力略大时，驾驶员拉杆向后，抬起机头，前轮离地，这时飞机升空离开地面，起飞的第一个阶段滑跑阶段完成。

（2）爬升阶段

由起飞段终止高度到爬升至巡航高度的阶段称为爬升阶段。飞机达到巡航高度的方式有连续爬升和阶梯式爬升两种方式，两种方式发动机所需的功率、燃料消耗有所不同。

（3）巡航阶段

飞机飞行的大部分时间都处于这一阶段。在这一阶段飞机保持合适的飞行高度，以水平匀速飞行状态稳定飞行。巡航阶段一般飞行速度选择在最经济的速度，如果没有太大的天气变化，飞机操纵很稳定。

（4）下降阶段

飞机从巡航高度降至1500英尺（450米）的阶段，这个阶段和爬升段对应。下降阶段飞机逐渐降低高度以节约燃料，一般在距机场半小时航程时开始下降。

（5）进近和着陆阶段

这是飞行过程中操作复杂极易出故障的阶段。进近又叫做进场，指飞机在距机场一定距离时，在地面管制人员的引导和指挥下，按规定路线减速、下降高度、对准跑道的过程。当高度降到600米以下，飞机放下襟翼、放下起落架，对准跑道后从离地50英尺（15.3米）至开始接地，直到飞机的速度为零，安全停止称为着陆。

飞机起飞时为什么需要发动机最大推力？

根据流体力学的原理，当飞机滑动时，机翼上侧的空气压力要小于下侧，这就使飞机产生了一个向上的升力。当飞机滑行到一定速度时，这个升力就达到了足以使飞机飞起来的力量。因此，要有足够的升力，使飞机离开地面，就必须推满油门（即发动机最大推力），加速滑跑。随着速度的不断加快，升力就越来越大，当达到既定速度时，飞机就可以进行离地操作。

民航客机起飞离地时的速度跟飞机的起飞重量大小有关，起飞重量越大，所要求的升力就越大，因而要求的速度也就越大。民航客机起飞离地时的速度大概在200-300公里/小时。

什么是飞机电传操纵？

电传操纵，是指把驾驶员的操纵指令变换为电信号以操纵飞机的技术。电传操纵系统由驾驶杆（或侧杆）及力敏传感器、输人信号及反馈传感器、飞行控制计算机、伺服舵机和助力器等组成。它不仅用电信号的传递代替机械传动，而且还把主操纵系统、自动增稳系统以及自动飞行控制系统结合起来，形成电子飞行控制系统。电传操纵系统减少了笨重复杂的机械传动连接，便于和飞机上其他系统交联，为实现主动控制技术提供了条件。

电传操纵系统首先在军用飞机上得到大量应用，20世纪80年代由于可靠性和抗干扰能力的提髙，民用飞机例如空中客车A320率先采用电传操纵，同时部分保留机械传动连接作为备份系统，取得了很好的效果。如今，电传操纵已在大中型客机上普遍应用。当驾驶员操纵飞机时，电传操作系统立刻将机械动作转变为电信号，经计算机计算放大后，通过舵机使舵面偏转。其优点是可以减轻重量和体积，消除机械操纵的摩擦及间隙，减轻驾驶员负担，方便结合自动驾驶，提高飞机的操纵精度和稳定性，但也存在成本较高、易受雷击和电磁波干扰、不及机械钢索可靠性高等缺点。

飞机如何探测前方的危险天气？

飞机在飞行中主要依靠机载气象雷达系统实时探测飞机前方航路上的危险气象区域，以选择安全航路，保障飞行的舒适和安全，其组成包括雷达收发机、雷达天线、显示器、控制面板和波导系统等。它是利用电磁波经天线辐射后遇到障碍物会被反射回来的原理，将所探测目标的轮廓、雷雨区的强度、方位和距离等显示在显示器上，目标的导电系数越高、反射面越大，则回波越强，显示器上用四种不同颜色区分气象或地形回波信号的强弱：①绿色：轻度危险气象条件；②黄色：中度危险气象条件；③红色：重度危险气象条件；?④深红色：湍流，极度危险气象条件。

气象雷达也是探测风切变的的重要手段。风切变是在很短的距离范围内，风速或风向，或两者一起发生急剧变化的现象。它可以在很大区域内发生，并伴有狂风暴雨，或者只在一个很小区域内发生，特别是在接近地面时发生时，对飞机的起飞和着陆造成严重的威胁，风切变的位置根据相对于飞机纵轴的方位和机头的距离而确定，根据风切变的位置不同，风切变警告可以分为三类：咨询、警戒、警告。飞行员应当根据风切变不同级别，做出相应的操纵反应。

航空公司的飞行模拟机是用来做什么的？

用来模拟飞机飞行的模拟器，称为飞机飞行模拟机。通常由模拟座舱、运动系统、视景系统、计算机系统及教员控制台等五大部分组成。飞行模拟机主要用来进行飞行训练。

训练用飞行模拟机的模拟座舱，其内部的各种操纵装置、仪表、信号显示设备等与实际飞机一致，操作和指示情况也与实际飞机相同。因此飞行员在模拟座舱内，与在真飞机的座舱之中的体验相同。飞行员操纵各种操纵设备驾驶杆、油门、开关时，不但各种仪表、信号灯能相应工作，而且还能听到相应设备发出的声响，以及外界环境的声音。同时，飞行员的手脚上还能有因操纵飞机而产生的力感。

飞行模拟器的历史可追溯至20世界20年代,在70余年的发展历程中,飞行模拟器经历了机械式、电子式和数字式的三个发展阶段。运动系统经历了单自由度、二自由度、三自由度到六自由度的发展阶段,控制方式由机械式、电子式最终过渡到数字式，训练手段由人工型、机械型到全数字计算机模拟型，视景系统由光学透明画和电影胶片到广泛采用闭路电视和摄像机投影以至到最流行的计算机虚拟现实的图形制作成像技术，模拟舱座从仅有部分模拟仪表发展到完整的同步式飞行仪表舱。

早在1929年，美国的爱德华·林克就设计出世界上第一台机械式的飞行模拟器，称为林克机。随着科学技术的进步，飞行模拟器也变得越来越先进。现代的飞行模拟器，集计算机、机械、电气、电子、自动控制、液压、光学等技术于一身，是一种十分复杂、精密的高科技设备。

运动系统用来模拟飞机的姿态及速度的变化，以使飞行员的身体感觉到飞机的运动。先进的飞行模拟器，其运动系统具有六个自由度，即在三维坐标中绕三个轴的转动及沿三个轴的线位移。主要包括六个液压伺服作动筒及支撑平台，模拟座舱就安装在平台之上。六个作动筒的协同运动，可驱动平台并使座舱模拟出飞机的运动变化情况。

视景系统是用来模拟飞行员所看到的座舱外部的景象，从而使飞行员可以判断出飞机的姿态、位置、高度、速度以及天气情况。先进的视景系统，是用计算机来产生座舱外部的景象，并通过投影、显示装置显示出来。

计算机系统是飞行模拟器的神经中枢。飞行模拟器就是一个实时性要求很高、交流的信息量很大、精度要求较高的实时仿真控制系统。计算机系统承担着整个模拟器各个系统的数学模型的计算与控制任务。现代的飞行模拟器，通常都是由若干台计算机联合组成一个网络，各计算机既分别处理不同的信息，相互之间又不断地进行信息交流，从而使整个模拟器协调一致地运行。

教员控制台是飞行模拟器的监控中心，主要用来监视和控制飞行训练情况。教员控制台不但能及时显示飞机飞行的高度、速度、航向、姿态、轨迹等各种参数,还能设置风速、风向、气温、气压、起始位置等各种飞行条件。另外，教员控制台还能设置各种故障，以训练飞行员判断与处理故障的能力。先进的教员控制台，还具有维护检测、考核、鉴定等功能。

飞机如何实现转弯和爬升？

飞机转弯通过操纵机构控制升降舵、方向舵和副翼三个气动操纵面的偏转来实现。依据空气动力原理，三个气动操纵面都是通过改变舵面上的空气动力，产生附加力和相对于飞机重心的操纵力矩，达到改变飞机飞行状态的目的。

飞机转弯主要是通过方向舵和副翼来实现。方向舵是位于垂直尾翼后缘的可动翼面，一般可左右偏转30°。飞行员踩左脚蹬时，传动机构可使方向舵向左偏转。这时正面吹来的气流使方向舵产生一个方向向右附加力，这个力与重心共同作用产生使飞机向左偏航的力矩，飞机飞行方向向左偏转。反之亦然。

仅操纵方向舵侧向滑行，不能使飞机转弯，还必须同时操纵副翼。转弯时，飞机必须倾斜，也就是左右主翼一高一低。如果飞行员向左压驾驶杆，左边副翼向上偏，右边副翼向下偏。左副翼上偏使迎角减小，左翼升力降低；右副翼下偏使迎角增大，右翼升力增大。左右机翼产生的升力差相对于飞机纵轴产生一个横滚力矩，进而使飞机向左方倾斜，飞机实现左转弯。反之亦然。

爬升主要是通过操纵升降舵来实现的。当飞机进入爬升时，其飞行路线从水平飞行改变为和水平面成倾斜或爬升的姿态。在爬升中，重力作用方向向后，不再垂直作用于飞行路线，这导致总的阻力增加，要求增加推力（功率）以平衡阻力。当有足够的推力抵消增加的阻力时，飞机才能保持一个爬升角，因此爬升是受爬升推力限制的。和其他机动类似，应该使用外部目视参考和飞行仪表来执行爬升。飞行员熟练掌握爬升条件的发动机功率设定和俯仰姿态是很重要的。

正常爬升是在飞机制造商推荐的空速下执行的。正常爬升速度一般稍微高于飞机的最佳爬升率。通过逐渐的向后施加升降舵压力来增加俯仰姿态至预定的程度，同时把功率增加到爬升功率。此外，配平也是爬升中一个非常重要的考虑。在建立爬升后，应该把飞机配平成可以释放飞行控制上所有压力的姿态。

飞机是否能自动飞行，是否能自动降落？

飞行自动控制系统已有100多年的研制历史，早在有人驾驶飞机出现之前，自动飞行装置就已问世。例如，1873年法国雷纳德的无人多翼滑翔行操纵系统。第二次世界大战促使自动驾驶等设备得到进一步发展，并可做机动、爬行及自动保持高度等。战争期间，有的轰炸机上的自动驾驶仪还与轰炸瞄准设备连接起来，以改善水平轰炸的定向瞄准精度。

目前，电传控制和主动控制技术已在现代飞机研制中得到了广泛应用，飞行自动控制系统已是多数飞机普遍使用的关键系统。自动飞行系统包括高度控制系统、速度控制系统、自动着陆系统、迎角和侧滑角控制系统等，随着飞行器设计的日益完善，驾驶员在飞行控制系统中的功能日益被自动驾驶仪所替代。而对于飞行自动控制系统来说，通常都采用一系列的飞机运动参数以及它们对于时间的导数作为反馈信号进行控制。因此，在控制系统中需要有感受这些参数的敏感元件或装置，它们统称为传感器。

自动飞行系统的核心是导航计算机，导航计算机通过采集传感器信号，进行复杂解算，得到飞机的位置、速度和姿态角参数，并发送给自动飞行系统的相关控制单元，用来维持飞机当前的飞行姿态，并自动根据飞行员预先设定的航行轨迹，计算出飞机的航向，从而引导飞机自动沿着飞行计划飞行，实现自动飞行控制功能。

1. 高空飞行的飞机，无法看清地面，是如何找到目的地的？

飞机保持预定航线并到达目的地主要通过导航系统实现。导航也曾叫作领航，这是因为最早的飞机操作非常复杂，飞行员要把所有的精力放到驾驶飞机上，所以就没有精力来导航，飞机上会配置一个领航员来为飞机领航，告诉飞行员飞什么样的航向、向那个方向转弯等。由于现代科技的发展，卫星导航的广泛使用，到上世纪九十年代开始渐渐取消领航员这一职业，飞行机组改为两人制机组，即正副驾驶。

飞行员使用的到导航方式有四种，分别为目视导航，推测导航，无线电导航和卫星导航。目视导航是参照一些目视参考点，例如湖泊、高山、城镇等，对比航图确定位置，一个点一个点的飞到目的地。这种导航方式很类似于我们日常开车，熟悉周边环境，知道一些显眼的建筑物，靠记住建筑物来判断位置。推测导航是在航图上画出到目的地要飞的路线，然后算出真航迹角、磁航迹角，结合风速风向得到要飞的磁航向，按照磁航向飞行，结合目视参考点修正航向，以此来飞到目的地。无线电导航得益于现代无线电技术的发展，是通过NDB（无方向性标），VOR（甚高频全向信标），DME（测距机）等无线电助航设备来进行导航。卫星导航精度更高，适用的范围更大，可以覆盖全球，在没有无线电导航设备的地方依旧可以使用，在山区、海上或者沙漠建造无线电导航设备困难大、成本高、维护、困难，主要依靠卫星导航。

目前商用飞机主要使用的是无线电导航和卫星导航模式，在飞机的机载飞行管理系统中，存储了全球几乎所有的地面无线电助航设备信息（称之为导航数据库），通过不断接受卫星的定位信号，对比导航数据库来确定当前飞机的位置。当飞行员输入航班的出发和到达地点时，它们会被自动转换成一组卫星定位坐标，借助机载飞行管理系统中存储的地面无线电助航设备信息，连线成为一条“航路”，飞机起飞后，在自动飞行系统的控制下，沿着这条“航路”飞行，同时不断接收卫星定位信号，不断校正自身的位置，确保整个飞行过程的精确定位。