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【物理科普】飛機到底能飛多久?

從東方神話中的“羽化登仙”、西方世界的阿拉丁“飛毯”到明朝的“萬戶升天”,再到熱氣球、滑翔機、自行車飛行器,直到萊特兄弟的首次有動力飛行,曆史見證了人類對天空從想象到征服的完整過程。如今,飛行已經成為我們日常的出行方式之一,但不斷提升飛行的質量與持續時間,仍然是現代航空人緻力的方向。

與今天各類飛機動辄飛行數小時相比,人類曆史上第一次真正意義上的帶動力飛行短得讓人尴尬。1903年,萊特兄弟首次試飛了世界上第一架完全受控、依靠自身動力持續滞空的飛機“飛行者一号”。

這次飛行留空12秒,但這12秒的意義無比重大,因為它意味着我們夢寐以求的載人空中持續動力飛行終于成功,被視為人類航空事業的起點。在此之後,飛機的飛行時長不斷提升,飛機也逐步發展為用途更加廣泛的航空工具。



飛機的飛行時長,在學術上稱之為久航性能。想要提升這一指标,有4個主要方向。

首先是提升飛機的最大升阻比,也就是改善飛機總體氣動特性,比如增大展弦比、增大機翼面積,或者采用飛翼布局形式。

比如B-2隐身轟炸機,該機采用飛翼布局,最大航程可達11100千米,曾經在北極上空飛行了18.5小時。但是,單純依靠改善氣動特性來提升航時效果有限。

其次是為飛機增加燃油量。一般的飛機通常有3個油箱,即中央油箱、左主油箱和右主油箱。左右油箱一般會安置在機翼的中空部分,有些大型飛機如空客A380在平尾上還有配平油箱。

除了這些傳統的油箱位置外,飛機的機翼挂點也可以利用起來,這就是用來臨時增程的副油箱。遇到需要進行空中機動的時候,可以随時甩掉。而戰鬥機有時候還可以加設和機身高度融合的保形油箱,再度提升了載油量。

除了讓飛機本身多帶油,還有一種方式是使用加油機進行空中加油。不過這對飛機性能、飛行員能力和空中加油系統都有一定要求,所以門檻比較高。

除此之外,就是降低發動機單位推力耗油率,這當然也是難度最大、收益最大的方向,需要跨越性地提升發動機的性能。

如今的民航飛機大量采用的是大涵道比渦輪風扇發動機,就是因為這種發動機目前是經濟性最好的選擇。

最後,對于有人飛機來說,久航性能還受制于駕駛員的疲勞狀态。目前,有人駕駛飛機持續飛行的最長時間紀錄為64天22小時19分5秒,是由美國人羅伯特·提姆和約翰·庫克共同駕駛一架“大莊園172”号賽斯納小型飛機創下的。其飛行距離相當于地球周長的36倍,期間使用的燃料和食物都是從幾十輛在飛機跑道上高速行駛的卡車中吊入機艙,這對飛行員來說無疑是接近極限的時間。

在這一點上,無人機由于不受駕駛員的體能因素限制,天然具有優勢。現在,超長航時太陽能無人機利用太陽能電池将光源轉化為電能,從理論上打破了常規無人機所無法實現的“永久”飛行瓶頸,具有“準衛星”的特質,成為近年來無人機領域研究的“香饽饽”。

可以預期,随着高效氣動技術、新動力能源(核動力、無線充電)等技術的發展及應用,以及對地觀測、空中預警、偵察監視技術、通信中繼等軍事和民用領域需求的不斷增長,未來飛機停留在空中的時間将越來越長,有關飛行時間的紀錄也一定會持續刷新。甚至在可見的未來,飛機實現永久飛行将不再是夢想。讓我們拭目以待!

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