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十六、飞机的飞行性能
判断一架飞机的好坏，需要用一些技术指标来衡量。这就要涉及到飞机的主要飞行性能指标。
飞机的主要飞行性能指标通常包括：飞行速度、航程（或航时、作战半径）、升限（理论升限和实用升限）、起飞着陆性能和机动性能。对于特殊用途飞机，还需要根据具体的设计技术指标给出额外的性能参数。当然，对一架飞机来说，起飞重量也是一项非常重要的技术指标，是讨论飞机飞行性能指标的基础。在实际应用中，如果不考虑起飞重量而只讨论飞行性能指标是不现实的。
上述这些主要性能指标同样适用于描述模型飞机的飞行性能。
1. 飞行速度
飞行速度是最为重要的飞机飞行性能参数，具体包括最大平飞速度、最小平飞速度和巡航速度。对于军用飞机来说最看中的是其最大飞行速度；而对讲究经济效率的民用飞机来说更多地衡量巡航速度。
（1）最大平飞速度
最大平飞速度是指飞机水平直线平衡飞行时，在一定的飞行距离内（一般应不小于3km）、在发动机推力最大状态下，飞机所能达到的最大飞行速度。它是一架飞机能飞多快的指标。
要提高飞机的最大飞行速度，一是要减小飞机的飞行阻力，另一是要提高发动机的推力。但应注意，随着发动机推力的提高，发动机本身重量和尺寸会随之增加，燃油消耗也会加大，并导致飞机重量和空气阻力增大。而且，随着飞行速度的增加，当速度接近于声速或超过声速时，飞机上将产生“激波”。此时，飞机阻力将急剧增加。因此，为了大幅度提高飞行速度，往往还需改变飞机的外形。
（2）最小平飞速度
最小平飞速度是指飞机在水平直线平衡飞行时，所能达到的最小飞行速度，这个速度的大小取决于飞机的失速速度的大小。飞机在起飞时的离地速度和在着陆时的接地速度都不能小于此速度，否者就会出现失速。
（3）巡航速度
巡航速度是指发动机每千米消耗燃油量最小时的飞行速度。巡航速度显然要大于最小平飞速度而小于最大平飞速度。飞机以巡航速度飞行最经济，因此巡航速度通常也被称为经济速度。
测量飞机的实际飞行速度，往往可以采用空速计、GPS等方法。前者测量出来的是空速，后者测量出来的是地速。有关空速和地速的概念，将在后面详细介绍。
图1是一种常见的用于显示飞机空速的指针式仪表。其速度显示分为几个区，其中，绿色区域是安全飞行的速度区域，可以进行长时间飞行；黄色区域是大飞行速度的警告区，不宜进行长时间飞行；低于绿色区域的下限速度或高于黄色区域的上限速度都不允许进行飞行，前者会导致飞机失速，后者会导致飞机解体。
2. 航程
航程是衡量一架飞机能够飞多远的指标，为了追求大航程提高经济效率，在设计过程中要优化气动外形减小空气阻力，增大升阻比，减小燃油消耗率。航程通常用以表示运输类飞机能够飞多远（有时也用航时来衡量）。对于战斗机，由于完成作战后还必须返回原起飞场地，因此通常用作战半径来衡量其能够飞多远。为了增加作战半径，战斗机通常携带副油箱（图2），在飞行中优先使用副油箱，待箱中油料用完之后，可扔掉以减轻飞机的重量和阻力。
3. 升限
升限用来衡量飞机做水平飞行时所能达到的高度。由于空气密度的变化，随着高度的增加发动机推力呈下降趋势。当飞机达到某一高度，发动机已不再有剩余功率使飞机飞得更高，而只能在此高度维持水平飞行时，称这一高度为理论升限。在实际飞行中为了使飞机具有较好的操控性，不会使其刚好处于临界高度，一般取垂直上升速度为5m/s时的最大高度为实用升限。飞机的垂直上升或下降速度通常用如图3所示的升降速度表显示。
飞机通常不在升限附近工作，而是在低于甚至远低于升限的高度飞行。衡量飞机飞得多高，不同的场合往往采用不同的高度指标，如：绝对高度、相对高度、真实高度、标准气压高度。这几种高度之间的相对关系如图4所示。
（1）绝对高度：距实际海平面的垂直距离。
（2）相对高度：距选定的参考面（如起飞或着陆的机场地平面）的垂直距离。
（3）真实高度：距飞行器正下方地面的垂直距离。
（4）标准气压高度：距国际标准气压基准平面的垂直距离。
起飞着陆时通常使用起降场地的相对高度；执行低空飞行、轰炸、照相等任务时使用真实高度；空中交通管制分层飞行使用标准气压高度；飞行性能描述使用绝对高度等。
飞行高度的测量最常用的方法有气压测高、无线电测高、GPS测高等方法。图5是一种常用的指针式高度表。
4. 起飞、着陆性能
飞机的起飞和着陆是两个重要的飞行状态，起飞着陆性能的好坏有时甚至会影响到飞机能否顺利完成正常的飞行任务。起飞着陆性能指标可以概括为两部分：起飞和着陆距离；起飞离地和着陆接地速度。后者除影响起飞和着陆距离外，还牵涉到起降安全问题。
5. 机动性能
飞机的机动性是指飞机在一定时间间隔内改变飞行状态的能力。对机动性的要求，取决于飞机要完成的飞行任务。对于战斗机而言，要进行空中格斗，对其机动性要求就很高。因在夺取空战优势时，飞机的机动性起着相当重要的作用，所以机动性是军用飞机的重要战术性能指标。而对于运输机，一般不要求在空中做剧烈动作，机动性要求就低。
6. 飞得最快、最高、最远
飞行器的发展、飞行器设计水平的高低往往可以用上述主要飞行性能表征。那么目前飞机的飞行速度、飞行距离、飞行高度能够达到多少呢？最大起飞重量能到什么程度呢？
（1）飞行速度最快、飞行高度最高的飞机
目前世界上飞得最快的飞机要属美国NASA的X-43A无人研究机（图6）。该机在2009年11月份的试飞中达到了9.6马赫的速度（即9.6倍声速）。飞得最快的已投入实用的有人驾驶飞机是美国SR-71“黑鸟”侦察机（图7），其创造了3.2马赫的速度。飞得最快的仅限于试验的有人驾驶飞机是美国的X-15A（图8）。在上世纪60年代，X-15A先后创造了飞行速度6.72 马赫、飞行高度108000 米的速度与升限的世界记录，它的试验飞行几乎涉及了高超声速研究的所有领域，并为美国后来“水星”、“双子星”、“阿波罗”载人太空飞行计划和航天飞机的发展提供了极其珍贵的试验数据。
就飞行高度而言，美国的“太空船二号”（图9），可以在太空亚轨道上飞行，其设计轨道高度为160～320千米，但出于安全考虑，初期只打算飞到100多千米高度。该飞行器可供游客体验太空失重的感觉，不过价格不菲。
（2）飞行距离最远的飞机
“维珍大西洋环球飞行者”号（图10）是目前世界上最新的可实现中途不着陆环球飞行的飞机，堪称飞行距离最远的飞机。2005年3月3日，美国冒险家史蒂夫·福塞特驾驶“维珍大西洋环球飞行者”号实现了单人、不间断、中途不加油的环球飞行记录，历时约76小时。而早在1986年12月，美国人迪克·鲁坦和珍娜·耶格尔两人曾驾驶“旅行者”号飞机完成了史无前例的中途不加油、不着陆环球飞行壮举，历时9天3分44秒。值得一提的是，这两种环球飞机都出自美国飞机设计师伯特·鲁坦之手。
（3）起飞重量最大的飞机
目前世界上起飞重量最大的客机是欧洲空中客车公司的A-380（图11），最大起飞重量550吨，堪称“巨无霸客机”。起飞重量最大的运输机是苏联安东诺夫设计局（现乌克兰安东诺夫设计局）研制的安-225（图12），最大起飞重量600吨。图13为这两种大型飞机和波音747客机的尺寸对比图。
十七、飞机的飞行速度
飞行速度是飞机在空中飞行中最为关键的参数，因为根据升力的产生原理，若飞机没有相对于空气的速度则不能产生升力，也就无法实现在空中飞行。
1. 地速与空速
飞机的飞行速度通常可以用地速和空速来表示。所谓地速是指飞机飞行时相对于地面的速度，通常用加速度积分的方式或GPS的方式进行测量。所谓空速是指飞机飞行时相对于空气气流的速度，可以用气压式空速计测量。两者之间的差异在于风速。当飞机顺风飞行时，地速大于空速；当飞机逆风飞行时，空速大于地速。
气压式空速表是一种通过感受压力来间接测量相对气流速度的仪表。一般在飞行器的前端，都有一根细杆，它就是空速管（图14）。空速管的正前端开有总压孔，在稍后面垂直侧壁方向开有一圈静压孔。总压孔和静压孔分别与两个压力传感器相连，或与气压测量膜盒相连。空速管正对气流时，前端气流形成驻点，速度为零，这点的气压是总压；侧壁的静压孔因其与气流方向垂直，感受到的压力与气流速度无关，为大气静压。
根据伯努利方程，动压等于总压减去静压，即
其中：代表动压，ρ为空气密度，υ为相对于空气的速度，P代表静压。
静压是指流体在流动过程中，流体本身实际具有的压力，即运动流体的当地压力。对于飞机来说，飞机静压是指该飞行高度上未受飞机扰动时的大气压力。飞机的动压是指空气以速度流动时由流速产生的附加压力。根据动压的表达式，再知道了当地的空气密度就能求出空速，而空气密度则可以根据空气密度和高度的函数关系求得。
2. 马赫数
前面已介绍过，空气有一个特性——压缩性。而为了考虑空气的压缩性，就必须考虑声速这个因素。声速会随周围介质密度的改变而改变，而空气密度则随高度变化，因此不同高度的声速也不一样。声速越大，空气就越难压缩。另一个应考虑的因素是飞行器的运动速度。运动速度越大，则施加给空气的压力就越大，空气被压缩得也越厉害。由此可见，空气被压缩的程度，与声速成反比，而与飞机飞行速度成正比。因此，要衡量空气被压缩程度的大小，可以把这两个因素结合起来。这就是经常会提到的马赫数（Mach Number），通常以Ma来表示，即
式中：υ表示在一定高度上飞行器的飞行速度；a则表示该处的声速，空气中的声速随高度的变化而变化。
马赫数是衡量飞行过程中空气被压缩程度的一个指标。马赫数越大，空气被压缩得越厉害；而马赫数小到一定程度则可以忽略空气的压缩性。根据马赫数Ma的大小，可以把飞行器的飞行速度划分为如下区域：
Ma≤0.4为低速飞行
0.4 0.85 1.15 Ma>5.0为高超声速飞行 Ma在0.4以下的低速飞行范围，可以不考虑空气压缩性的影响，也就是说，可把空气密度看成是不变的不可压缩流体来做理论分析。而随着Ma的增大，空气压缩性的影响逐渐明显，进而必须考虑。 Ma在0.4～0.85时，压缩性对飞行的影响只有量的变化，无质的突破。 Ma在0.85左右时，飞行器表面气流的局部流速可达到声速，开始出现激波（一种独特的流动现象，实际上是受到强烈压缩的一层薄薄的空气，有关激波的详细情况，感兴趣的读者可以参阅相关书籍）。随着Ma的增大，超声速区域逐渐扩大，一直持续到Ma等于1.15左右，流动呈现亚声速和超声速共存的局面。在Ma为0.85～1.15的跨声速飞行区域内，气流分离现象严重，空气阻力剧增，飞行稳定性变坏。 当Ma超过1.15以后，整个流场都达到超声速，流动的性质与亚声速相比有本质上的不同。 Ma大于5.0的飞行称为高超声速飞行，飞行器前缘由于气流受到强烈压缩，会出现温度达数千摄氏度的激波层。这样高的温度会使周围的空气分子分解甚至电离，给飞行器的设计和制造带来许多新问题。 3. 声障、热障 飞机诞生初期，飞行速度并不快，都处于低速飞行范围。但随着需求的不断提高，飞机的速度越来越快。到20世纪40年代，采用活塞发动机的飞机，平飞速度达到了每小时七百多千米，俯冲时其速度接近声速。此时，飞机会发生剧烈的抖振，变得不稳定，几乎失去操纵。有时抖振太剧烈会使飞机结构发生破坏，造成飞机失事。这种现象就是“声障”。“声障”是在飞机速度不断提高的过程中遇到的第一个关口。为了突破声障，必须在飞机设计方面采用一些特殊措施以减小激波阻力，最有效的设计就是采用后掠机翼。世界上第一架突破声障的飞机是美国的X-1研究机（图15），驾驶这架飞机的是著名飞行员耶格尔，当时这架飞机飞行速度达到了1.06倍的声速。 当飞机突破声障进入超声速飞行时，所形成的激波传到地面会形成如同雷鸣般的爆炸声，这就是所谓“声爆”现象。声爆过大可能会对地面的居民和建筑物造成损害。“声爆”强度与飞机的飞行高度（强度随着离开飞机的距离增加而减小）、飞行速度、飞机重量、飞行姿态以及大气状态等都有关系。为防止噪声扰民和“声爆”现象，一般规定在城市上空10km的高度之下不得作超声速飞行。飞机在空气湿度较大的海上进行超声速飞行时，空气中水蒸汽还会由于斜激波的作用产生如图16的圆锥形雾团。 飞机突破“声障”以后，随着速度的进一步提高，又遇到了一个新的关口，这就是“热障”。当飞机以超声速飞行时，其表面附面层中的空气因受到强烈摩擦阻滞和压缩，速度大大降低，动能转化为热能，使飞机表面温度急剧增高。如飞机以Ma为2.0在同温层飞行时，头部温度可达到120。C；当飞行速度提高到Ma为3.0时，头部温度可达到370。C。此时，作为飞机主要结构材料的铝合金，由于其材料性能随温度升高急剧下降，不能在如此高温环境下长期工作，因此会造成飞机结构的破坏。 气动加热可使结构强度和刚度降低，飞机的气动外形受损，危及飞行安全。这种由气动加热引起的危险障碍被称为“热障”。世界上第一架突破热障的飞机是美国的X-2（图17），驾驶这架飞机的飞行员是阿普特，当时的飞行速度达到了3.2倍声速，不幸的是在完成这次突破后，意外地发生了机毁人亡的事故。图18是“阿波罗”登月飞船指挥舱再入大气层时的表面温度，从图中可以看出，此时飞船的表面温度已经非常高了。 在飞机其他表面，温度虽然比机头的低些，但由于空气粘性的作用，附面层内气流流速受到滞止，表面温度也是相当高的。因此，机内设备、人员也需要隔热、防热。由于人所能承受的温度最高大约是40。C，而飞机上的设备如无线电、航空仪表、雷达、橡胶、有机玻璃、塑料等其工作温度一般也不超过80。C。因此如何保护机内人员、设备不受伤害，也是应对“热障”时需要解决的重要问题之一。 目前解决热障的方法主要有：使用耐高温的新材料如钛合金、不锈钢或复合材料来制造飞机重要的受力构件和蒙皮；用隔热层来保护机内设备和人员；用水或其它冷却液来冷却结构的内表面等。如美国SR-71飞机，93%的机体结构采用钛合金，就顺利地越过了热障，当时创造了3.3倍声速的世界纪录。 4.气动外形决定飞行速度 飞机从其诞生至今已经有一百多年的历史了，发展了形形色色的式样。有的飞机飞行速度较小，也就二三百千米/小时；而有些飞机飞行速度则非常大，甚至可达到几倍声速。那么如何从外形上区别低速飞机还是高速飞机呢？ 低、亚声速飞机和超声速飞机由于飞行速度不同，飞行时产生的空气动力也有较大差异。为了获得较好的气动外形和飞行性能，低、亚声速飞机和超声速飞机在外形上有很大不同，主要体现在以下几个方面。 （1）机翼展弦比大小的不同：低、亚声速飞机（图19）机翼的展弦比较大，一般在6～9之间，梢根比也较大，一般在0.33左右；而超声速飞机（图20）机翼的展弦比较小，一般在2.5～3.5之间，梢根比较小，在0.2左右。 （2）机翼后掠角大小的不同：低速飞机常采用无后掠角或小后掠角的梯形直机翼，亚声速飞机（图21）的后掠角一般小于35。；而超声速飞机（图22）通常为大后掠机翼或三角机翼，前缘后掠角一般为40。～60。。 （3）翼型和机头头部形状的不同：低、亚声速飞机的机翼翼型一般为圆头尖尾（图23），前缘半径较大，相对厚度也较大，一般在0.1～0.12之间；而超声速飞机机翼翼型为小圆头或尖头（前缘半径比较小，图24），相对厚度也较小，一般在0.05左右。机头头部形状也和翼型头部形状的规律相似。 （4）机翼和机身的相对长度：低、亚声速飞机（图25）机翼展长一般大于机身长度，机身长细比较小，一般为5～7，机身头部半径比较大，前部机身较短，有一个大而突出的驾驶舱；而超音声飞机（图26）机身长度大于翼展长度，机身比较细长，长细比一般大于8，机头部较尖，驾驶舱与机身融合成一体，成流线形。 因此，通过观察一架飞机的外形，就可以大致判定它是低、亚声速飞机还是超声速飞机。（未完待续）