飛機為什麼不能一直向上飛?

嵇志浩


航空專業的同學來回答一下這個問題!

飛機可以載著人飛上天空,但是實際上對於絕大部分飛機而言,飛行的高度都是有限的。比如說我們正常乘坐的客機就是主要飛行在一萬米左右的高空,而前蘇聯的米格-25偵察型飛機可以飛到高達3.6萬米的高空【如下圖所示】。

但是目前來看,我們所熟悉的那些飛機都不能一直往上飛,包括剛剛提到的米格-25偵察型,也不是“飛”到3.6萬米的高空的,而是從3.2萬米的高空開始加速俯衝,然後再拉起機頭,最後才能夠飛到3.6萬米的高度【如下圖所示】。

那麼為什麼飛機不能一直往上飛呢?

我認為主要有三個原因。

第一個原因,飛機飛到高空後再也“飛”不起來了。我們知道,飛機之所以可以產生升力、對抗重力,是因為飛機機翼與空氣之間發生相對作用,最終空氣對飛機機翼施加的反作用力“託”起了飛機。而高空的空氣太稀薄,就算飛機的飛行速度很快機翼產生的升力也不夠了。

第二個原因,飛機的發動機在高空再也沒辦法工作了。飛機之所以能夠飛行,很大程度上要依靠飛機內部的航空發動機運轉,而航空發動機的工作原理就是讓燃料與空氣中的氧氣混合後點燃、由此產生能量驅動發動機運轉的。飛機飛得高度太高了之後空氣中的氧氣根本不足夠發動機工作,所以自然飛機就沒動力了,也無法飛得太高。

第三個原因,飛行員會受不了。要知道在高空飛行的時候,機艙內的氧氣也非常稀薄,如果飛機沒有經過特殊改裝,那麼飛行員早就在稀薄的空氣中昏迷過去、再也無法操作飛機了。比如說下圖就是要在高空執行偵察任務的SR-71飛機,飛行員必須穿的跟宇航員一樣才能夠執行任務。

也有可以一直向上飛的飛機——航天飛機。

實際上也有可以一直向上飛的飛機,那就是航天飛機。

不過這種飛機雖然名為“飛機”,但是這種飛機是靠火箭來推進的,飛行的升力完全來自於火箭向上的推力,乘坐這架飛機的也是宇航員,所以飛行的原理、動力來源還有駕駛員的狀態跟普通飛機完全是兩回事。

當然了,隨著科技的發展,未來一定會出現所謂的“空天飛機”,在大氣層內飛行的時候就是一架普通的飛機,而再往外飛則是一架用火箭推進的航天飛機。比如說英國曾經推出了所謂的“Saber”發動機,這種發動機就是兼具航空發動機和航天發動機的特點,未來會是空天飛機的動力來源。

不知道這樣我說明白沒有呢?感謝大家點贊、評論、轉發、關注走一波呀!


航小北的日常科普


一直往上飛的那是火箭,即便是航天飛機沒有運載火箭也是歇菜。而可以短暫往上飛機是垂直起降飛機,主要是用於特殊場合,尤其是艦載機,而且使用垂直起降的戰鬥機耗油率非常驚人,這也導致航程非常短。

更重要是飛機使用的航空發動機燃燒時需要氧氣,而隨著高度的攀升,含氧量會急劇減少,尤其是到了卡門線就進入了天空的邊界了。目前有人駕駛噴氣式飛機的最高升限記錄是37660米,是1977年8月31日亞歷山大·費多托夫駕駛米格-25完成的。

航天飛機是轉為穿越卡門線進入太空而設計的火箭動力飛機,它結合了飛機和航天器的雙重特點。美國曾是唯一一航天飛機成功進行多次載人任務的國家。但其本身並不會飛,而是搭載於運載火箭之上。航天飛機在發射的時候和其他一次性航天器一樣。而其設計呈飛機的模樣,主要是機翼能在進去地球的過程中提供空氣剎車的作用,還能在降落時提供必要的升力。由於有機翼的存在,航天飛機的有效載荷比例相對較低,工程師寄望於可重複使用這個特性來降低成本。但在實際的運營中可靠性較差,目前處於全部退役狀態。

截止目前,有4種類型的飛機可以實現垂直起飛。例如波音公司的魚鷹V-22和阿古斯特維斯特蘭的AW609傾轉旋翼機,它們利用傾轉旋翼實現這一功能。其二是推力矢量技術,例如AV-8、雅克-36和洛克希德·馬丁F-35B。其三是利用額外的升力發動機,典型代表是雅克-38和雅克-141。最後是使用可旋轉機翼的波音X-50。


航空之家


這個問題其實涉及到飛行器性能指標中一個非常重要的參數——升限,為了解釋好這個問題,老鷹航空從下面兩個方面來進行解釋吧:

1、飛機升力機理;

說道飛機的升力,很多人都會用一個伯努利方程來解釋,這個是沒錯的。但是在工程界使用最多的升力公式卻是這樣的,L=1/2ρV²SCL,其中L是升力,ρ是當前飛機周圍的空氣密度,V是飛機的速度(相對於周圍空氣的速度),S是機翼在垂直方向的投影面積,CL是飛機的升力係數,由自身氣動外形和姿態角度控制。

在這個公式中,1/2ρV²一般意義上稱之為動壓,用Q表示。

所以飛機的升力公式就變成了L=QSCL,其實就是說飛機的升力由動壓、機翼面積和升力係數三個參數來決定的,發動機所產生的推力並不是升力的直接來源(垂直起降飛機除外),而是產生了速度,進而產生動壓,通過動壓來間接性的提供升力。

2、飛機為什麼會有升限;

L=1/2ρV²SCL,在這個公式中,隨著飛行高度的增加,一方面空氣密度就會快速下降,而S和CL幾乎不太會變化;另一方面,雖然空氣密度下降也會降低飛行阻力,但是發動機由於需要面臨壓力更低的空氣,自身的推力輸出也在下降。這樣在某一個臨界高度上,飛機的升力依然等於重力,而此時發動機也沒有富裕動力了,這個高度就是飛機的升限所在了。

3、如何提高飛機升限?

根據升力公式,要想提高飛機的升限主要集中在三個方面:

第一,進一步減輕飛機的重量,包括結構重量、設備重量、燃油重量等;

第二、提高飛機的升力係數,也就是提高飛機的氣動性能;

第三、增強發動機的推力性能。

上面提到的這三個方面,雖然看起來很簡單,但是工程實際中卻是難度非常大的,有的時候彼此之間其實都是互相制約的。比如增強發動機的推力,必然發動機尺寸就要很大,發動機重量和飛機重量都要上去,反過來也要降低飛機性能。所以說,飛機設計為什麼難,更多的時候就是一種技術協調和權衡的問題。


——問題就回答到這裡了——

對航空感興趣的朋友不妨來關注老鷹航空吧。

(圖片來自互聯網公開圖片,如侵則刪。)


老鷹航空


飛機的發動機需要空氣燃燒,一直往上飛,空氣越來越稀薄,到一定高度飛機發動機就不能正常使用了。飛機靠機翼和空氣的相對運動產生升力,空氣過於稀薄,升力也不夠了。\r 一句話,飛機只能在大氣層中飛行,不可能往上飛出大氣的限制。


分享到:


相關文章: