Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 飛機引擎

2007年6月13日 星期三

飛機引擎

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飛機從外觀很明顯可以區分成四個部分 : 「機身」、「主翼」、「水平安定面」和「垂直安定面」。還有一個不很明顯的部分,就是「推進系統」 ; 這個系統有時顯而易見,例如螺旋槳推進的飛機,或諸如波音747這一類使用外掛引擎的飛機。有時後推進系統是隱藏在機身內的,例如F5戰鬥機; 這種情形通常有噴射引擎進氣口,很容易為人所見。

  「主翼」的基本功能是產生昇力。凡是地球表面附近的物體都受到強烈的重力吸引,而有向地面墜落的天然傾向。因此,飛機若要保持在空中飛行,必須有足夠的昇力來抵消地心引力的作用。

  在實際飛行的時候,有種種因素可能使飛機的指向偏離原飛行力向 ; 此時,「垂直安定面」就能夠使機頭指向轉回原來的方向。垂直安定面發揮作用的原理和風向標的原理相同 ; 事實上,風向標的側影和飛機的側影極為相似,只要在氣象站看一眼就明白了。

  飛機的機頭指向不僅有可能偏左或偏右,也有可能向上或向下偏離,這時侯就要依靠「水平安定面」來糾正,便機頭的俯仰角度回到飛行員所欲的角度。水平安定面的作用原理也是風向標效應,大致可以看作左右對稱平放的一組風向漂。

  有時候,飛行員想要調整飛機的姿態,例如轉彎、爬昇或下降之時 ;這些動作必須由各個操縱面的移動來達成。在垂直安定面後緣可以左右搖動的平面叫作「方向舵」,在水平安定面後緣的是「昇降舵」。

  有些飛機的設計是轉動整個安定面來達成操控的目的,這就叫作全可動式垂直安定面或水平安定面。在轉彎之時,飛機必須傾側,也就是左右兩半主翼並非水平而是一高一低。傾側的動作依賴「副翼」來達成,副翼通常位在主翼後緣比較接近翼端的部分 ; 而副翼的動作是左、右相反的,若右副翼向上,則左副翼向下。此時,右翼上表面的氣流被副翼偏折向上力,因此右翼的上表面受到向下的反作用力 ; 反之,左翼的下表面則受到向上的力。於是,飛機向右傾側。

  在主翼後緣靠近機身的部分,還有一組能夠上下活動的結構叫作「襟翼」。左、右襟翼通常同步動作,在飛機起降的時候,襟翼向下偏折可以增加飛機的昇力,以縮短所需跑道長度並增加飛航安全。空氣雖然似乎輕飄飄地不易捉摸,但是高速流動的空氣能夠產生很大的阻力。

  汽車在高速公路上定速行駛於平坦路面上所消耗的汽油,主要都是用來克服空氣阻力。在空中飛行的飛機同樣承受阻力,因此飛機必須有「推進系統」,否則阻力將使飛機愈來愈慢終至墜毀。飛機的推進系統常見的有「往復式內燃機」和「渦輪引擎」二類。

  「往復式內燃機」是最傳統的飛機動力源,萊特兄弟的第一架飛機就是採用四衝程的內燃機。通常是使用螺旋槳把往復式內燃機的輸出馬力轉變成推進力。「渦輪引擎」可分為 :「渦輪噴射」、「渦輪扇噴射」和「渦輪軸引擎」三大類。

  往復式內燃機和汽車、機車使用者的原理相同,除了模型飛機之外,絕少使用二衝程引擎者。四衝程引擎分為進氣、壓縮、爆炸、排氣四個衝程,其原理在今日已成常識,不多說明。「渦輪引擎」由前面吸入空氣,經由壓縮器增壓之後,即將油與氣混合並於燃燒室引燃。燃燒後的高溫排氣流經渦輪產生轉動的力量,此力量經過傳動軸去驅動壓縮器。此時排氣仍含有甚多熱能,即經由噴嘴高速噴出,依反作用定律產生推力。上述為「渦輪噴射引擎」。

  扇式噴射是把壓縮器或渦輪葉片延長成為類似較短的螺旋槳葉片。壓縮器葉片延長者叫作前扇式,渦輪葉片延長者叫作後扇式。

  不論是主翼、水平安定面、垂直安定面或推進系統都必須有適當的部位來安裝。而且飛行員、乘客、貨物、燃油....都需要空間容納,於是,機身有其存在之必要。不過這或許只是過去因為設計能力不足而採用的方式,最新的全翼式設計的B一2轟炸機,並沒有傳統式的機身部分。

  機身的結構通常是由沿機鼻——機尾走向的縱材與每隔一段距離的橫方向肋材與隔框組成,外表再披上蒙皮。主翼通常由一條大樑、肋材和蒙皮構成以上所述的各個糸統都是以機械為主,早期的飛機設計其實也是機械工程的一個特殊部門。但是今囗飛機的造價很大部分是用在航空電子糸統上,尤其作戰飛機上的航電系統甚至超過造價的一半以上。航電系統最基本的有 : 通信、氣象雷達、慣性導航、電羅經、空域搜索雷達、自動駕駛、自動起降等等。

  除了飛機上各項裝備之外,在地面上飛機還需要許多地面支援設備,從事諸如加油、起動噴射引擎、除冰、保養、修理等等工作。下游製造飛機所牽連的工業極為廣泛。

我是B94611016胡寅亮

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