探讨物理学在大飞机中的应用

赵英珊

(北京市西城外国语学校,北京 100037)

大飞机一般泛指天上所有的大型飞机。在航空工业中,大飞机是指起飞总重超过100吨的运输机,包括一次航程超过3000公里的军用运输机和150座以上的民用客机。目前,民用大飞机市场主要被美国的波音公司和欧洲的空中客车公司所垄断。国产大飞机C 919的成功试飞,将改变目前民用客机的市场格局,使得我国成为继美国、欧盟、俄罗斯等少数国家之后,拥有独立生产制造大飞机能力的国家。大飞机的系统非常复杂,而且对于每个零件的安全性能要求极为严苛,因此大飞机的研发工程需要投入大量专业人才攻关才有可能完成。物理学作为航空工业的基础性学科,在大飞机的研发与制造环节起了关键性的作用。下面,我们就从物理学的各个分支学科出发,探讨物理学在大飞机中的一些应用。

1 力学在大飞机中的应用

力学是物理学中最古老的一个分支。很多传统工业的发展,包括机械、土木工程等都是建立在力学理论基础之上的。随着现代航空工业的起步,力学知识在大飞机的研发、设计、制造等环节拥有着举足轻重的地位。下面我们介绍三个例子来对此做具体说明。

1.1 大飞机与空气动力学

要想让大飞机这样的庞然大物顺利起飞,并且以超过900km/h的速度高速飞行,首先要研究的问题就是如何提高飞机的升力并减小飞机与空气的相对阻力。根据流体运动的伯努利原理,对于同一流线上的两点(忽略高度的差异),满足关系式,其中P是流体的压强,ρ是流体的密度,而v是流体的流速。由于机翼的形状是不对称的,飞机在飞行时机翼的尾部会形成一个空气涡流,同时在机翼周围会形成一个顺时针运动的空气环流。这样,机翼上方的空气流速就会高于下方,机翼下方空气的压强反而就会高于上方。这样整体有一个向上的合力会托起飞机,这就是飞机的升力。利用空气动力学的相关知识,人们可以通过风洞试验,设计大飞机的外形来减小它对于空气的阻力,并提高它的升力,使得大飞机达到理想的航行能力要求。

1.2 大飞机与结构力学

大飞机在起飞和降落的过程中,需要完成各种复杂的动作。大飞机在平流层飞行时,偶尔还会遇到一些湍流,造成机身颠簸。因此,如何设计机身与机翼的结构,提高大飞机在复杂环境下的稳定性、舒适性,成为结构力学的研究课题。通过对飞机结构做各种力学试验与分析,人们已经找到了最佳的大飞机结构设计,使其能够面对各种复杂环境的挑战。

1.3 大飞机与断裂力学

大飞机的使用寿命一般在20-30年左右。在长期使用的过程中,大飞机的结构和表面金属会出现一些疲劳、损伤、甚至断裂。如果没有很好的评估这些疲劳损伤对于大飞机的影响,就很容易出现严重的事故。因此,在大飞机的使用过程中,每隔一段时间,就应该对飞机的疲劳损伤情况做一些检查与评估,必要的时候还需要做一些修复,保证飞机状态良好。这就需要一门学科系统地分析大飞机结构与材料中的微小裂纹对于其安全性能的影响,断裂力学的出现就能很好地处理这类问题,保障大飞机的航行安全。

2 电磁学在大飞机中的应用

大飞机在飞行过程中,既要时刻与机组成员和地面系统保持联系,也要保证航行线路的准确,这就需要现代电子技术来完成这些功能,而这其中的核心元素就是电磁波。下面就大飞机的通信与导航系统为例来说明电磁学对于大飞机的重要性。

2.1 大飞机中的通信系统

大飞机上的通信系统,既要完成飞机与地面的互联,也要完成飞机内部的联络。因此,飞机通信系统包括飞行器电子系统与地面电子系统两部分。这两部分通过高频的电磁波信号传递信息：首先由大飞机发送电磁信号到空间卫星,然后由空间卫星传递给航空地球站,再通过网络传递给各个地面终端设备,从而实现通信。大飞机上还配有电报设备,源源不断的把航行数据发送给航空公司。在起飞和降落阶段,飞行员还可以通过机载应答设备直接与地面语音联系。另外,大飞机中的黑匣子也会不断的记录飞机的飞行数据与通话记录,供飞行试验或事故分析之用。

2.2 大飞机中的导航系统

飞机的导航系统主要用来引导飞机沿着预定航线飞到预定位置,并可以随时给出飞机准确的即时位置。利用全球卫星定位系统GPS,大飞机可以实现智能飞行,减少飞行员的操作难度。此外,大飞机还有仪表导航、惯性导航、雷达导航等多种导航方式,全方位保证飞机航行线路的准确。

3 其他分支在大飞机中的应用

大飞机在1万米的高空平流层飞行,机外的温度低至零下40度。为了保障机内温度的舒适,大飞机会使用玻璃复合材料来达到隔热的效果。发动机作为飞机动能的提供者,还需要适应高空缺氧、低温、低气压等恶劣条件,因此大飞机所用的航空燃料杂质较少,安全系数较高。为了给乘客创造安静的环境,大飞机还使用大量隔音材料减少飞行中的噪音。除此之外,飞机内部的照明灯源配置在座舱顶棚处,这样光线可以通过不断反射达到均匀柔和的照明效果。这些热学、声学、光学细节的设计,大大提高了乘客乘坐大飞机的舒适程度,因此大飞机也越来越受到青睐。

4 结语

大飞机中物理学的应用还有很多。国产大飞机C9 19的成功研发与试飞,离不开物理学所起的关键性作用。相比于强大的航天工业,我国的航空工业还比较薄弱。未来的航空工业会朝着综合化、自动化、智能化的方向发展。相信随着C919的成功首飞,我国的航空工业发展也会迎来一次新的飞跃。

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