2016巴西奥运会开幕式上表演上,那架飞机为什么倒着飞?

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12个答案
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瘦驼科学松鼠会成员

2016-08-06 10:08

这架飞机在航空史上赫赫有名,它就是巴西航空先驱桑托杜蒙Alberto Santos Dumont1906年试飞成功的的14bis型飞机。它并不是在倒着飞。14bis是鸭式布局推进式螺旋桨箱式双翼机。

所谓鸭式布局就是水平操纵面在主升力面(一般就是机翼)前面的布局。早年的飞行器采用这种设计的很多,莱特兄弟的飞行者一号也是这样。箱型机翼来自于箱型风筝,这是19世纪末航空研究的产物,在速度不快的条件下箱型体可以产生更多的升力。

几乎所有巴西人,和很多航空史学家都认为杜蒙1906年在巴黎飞上天的的14bis是世界上最早的动力固定翼载人飞行器。因为莱特兄弟的早期飞机是靠牵引(比如重物通过滑轮牵引绳索)起飞的,而杜蒙的14bis是世界上第一架通过自身动力地面滑跑起飞的。

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pin008摄影光学航空兵器杂项自由撰稿人

2016-11-07 13:24

关于桑托杜蒙和14bis,@瘦驼 已经详细介绍了。我想赘述两句,为什么有的飞机“正着飞”,有的“倒着飞”。

题主所谓的“倒着飞”只尾翼在前、主翼在后、螺旋桨在最后,这是一个典型的鸭翼布局。只不过今天大多数鸭翼飞机是后掠翼,所以容易看出前后来,而14bis的平直翼不容易看出来。

更诡异一点的是NASA X-29技术验证机,前掠翼+鸭翼。

其实最早期的飞机,例如莱特兄弟、冯如、贝尔等一干发明家的飞机,都有类似的鸭翼结构。

为什么早期飞机发明家不约而同的使用了鸭翼布局呢?为什么后来很长一段时间,这种布局再无人问津?这要从人类早期的飞行探索说起。

1737年,丹尼尔·伯努利发现了流体流动速度与压力之间的关系,即著名的伯努利定律,从而为盲目追求飞行梦的人们提供了升力的理论依据。然而,伯努利定律仅仅解决了升力问题。

1840年代,工业革命基本完成,蒸汽机成熟,以航空先驱威廉·亨森为代表的英国发明家开始研制蒸汽动力飞机,机翼面积巨大,很多是双翼、三翼、多翼结构,但均以失败告终。1890年,法国工程师克拉蒙特·阿代尔设计的蒸汽动力单翼机已经能够依靠自身动力水平起飞,但只能短暂地向前蹦跶。1894,马克沁机枪发明人海勒姆·马克沁制造了用于巨大机翼面积和2台135千瓦强劲动力驱动的“飞行机器”,依然无法实现真正的飞行。

这个时期很多动力飞行器,可以实现短暂的跃升,但无法实现稳定的连续飞行。

“稳定的连续飞行”,最重要的关键词是哪一个?是“飞行”吗?是“连续”吗?对了,其实关键在“稳定”。

今天航空爱好者有句话叫“推大砖飞”,这句俺以前在果壳也评说过:它片面强调了动力对飞行性能的作用,忽略了稳定性和操作性。对于飞机来说,稳定性和受控性是飞行的关键。一架稳定的飞机,例如滑翔机,只需要很小的动力就可以升空,就能持续飞行。然而一架不稳定的飞机(或是没有电传操纵系统稳定控制的飞机),计算推重比过百,它也还是会掉下来。http://www.guokr.com/question/438844/

这就说到了飞机发明的另一条故事线——稳定性。在没有反馈增益控制系统之前,又分主动控制稳定和气动布局稳定两个支线。

1871年,法国工程师阿方斯·佩诺设计了通过水平尾翼控制俯仰平衡的橡筋动力飞机模型,被不少航空历史学家认为是“飞机的祖先”。(气动布局稳定)

1891年,人类飞行先去,德国的奥拓·李林塔尔(又译李林达尔)与弟弟古斯塔夫·李林塔尔经过20年的滑翔机研究,发表了《鸟类的飞行——航空的基础》。李林塔尔真正实现了稳定的滑翔飞行,他通过对鸟类、蝙蝠的观察,一方面确定了翼面积与升力之间的关系,另一方面得出了重心和机翼升力形态的影响,而驾驶者本身就是重要的重心调节器,这一点和今天的超轻型伞翼机类似,重心和机翼升力重心位置的相对变化足以保持稳定。(主动控制稳定+气动布局稳定)

1894年,奥拓·李林塔尔改进后的滑翔机滑翔距离达到350米远。1896年8月9日,李林塔尔在试飞中受伤,于次日去世。李林塔尔进行滑翔实验达2,000余次,先后使用过18架滑翔机,其中12种是单翼机。李林塔尔是人类飞行史上最重要的人物之一,为飞机的发明积累了宝贵的经验。

1896年,美国航空先驱者兰利教授的飞机模型飞行成功,飞行时间1分45秒,距离1,800米。这是重于空气的飞行器首次用自身动力作了持续而稳定的飞行。

接着,1903年莱特兄弟飞行者号的故事,大家就都知道了。

莱特兄弟解决飞机稳定性的方案,不再靠飞行员重心保持稳定,而是可操纵的柔性机翼、垂直尾翼和水平前翼(鸭翼),通过操纵性保持飞机稳定,是典型的主动控制稳定。

莱特兄弟之前的滑翔机也尝试过水平尾翼,而飞行者号选择水平(俯仰)操纵面在前方的设计。俺以为,这有几方面考虑,首先,水平前翼给驾驶员一个参照,对比前翼和地平线,可以知道飞机俯仰状态以及大致高度;其次,前翼缩短了操纵手柄到操作面的距离;再次,这种设计,螺旋桨后面没有任何遮挡,有助于发挥孱弱发动机的最大动力;最后,可能也是莱特兄弟最重要的考量点,他们相信前翼可以防止飞机时速时进入俯冲。

这个鸭翼操纵方案,既是观察鸟类(野鸭和很多鸟类头颈部前伸很明显)的仿生学结果,也是当时飞行理论和实践水平下,对飞机俯仰控制正向思维的必然选择——飞机头部有个小升力面,要让飞机抬头,就让头部升力面增加升力,向上托机头一把;要让飞机低头,就减小头部升力面,压一下机头。

在早期其他飞机设计时,或许是基于这种正向思维,或者是受到莱特兄弟等人的影响,好几种飞机都采取了这种水平鸭翼布局。桑托杜蒙的14bis显然也是正向思维的结果,只不过人家更彻底,连垂直翼面都装在机头了(机头的方盒子兼顾水平和垂直操纵面的作用)。桑托杜蒙的垂直翼面在前,也是正向思维的结果,所谓“牵牛要牵牛鼻子”。

然而,飞机发明家们很快就发现飞机不是属牛的,是属猪的,属驴的,牵着它鼻子,它乱窜。后世复制莱特兄弟飞行者号的尝试,纷纷失败,飞行者号被认为是“不可操纵”的飞机。

之前没有考虑稳定设计的飞机都是失败的,因为常规机翼本身不稳定,一个没有机身、没有配平的机翼扔出去肯定乱飞。因为飞机迎角增加的时候,机翼产生的升力中心位置会前移,如果飞机重心不变,就会产生一个抬头力矩,进一步增加迎角。反之亦然。

在没有更先进的总体设计水平之前,水平翼面在机翼前方,机翼迎角增大,它的升力也增大,增加抬头力矩,增加飞机过度控制的力量。如果水平翼面在机翼后方,机翼迎角增大,它的升力也增大,增加抬尾力矩,就可以抵消飞机抬头的趋势,它就是一个水平安定面。

早期的鸭翼飞机,囿于机翼翼型空气动力学设计,都是不稳定的,当时没有辅助控制系统,只有莱特兄弟这样试飞过无数同类滑翔机,对飞机不安定的性格了如指掌的人才能战战兢兢的驾驶飞行者号上天。

桑托杜蒙14bis的前水平控制翼面也有同样不稳定问题。其他设计师从船舵、风筝的尾巴得到启发,水平控制面都安排在后部,14bis上下主翼之间的大量水平稳定面有助于减少过度转向问题。

很快,通过飞行员控制获得安定的鸭翼方案就被稳定的水平尾翼方案取代了。于是,今天大家熟悉的螺旋桨在前、机翼在中间、水平和垂直尾翼在后的结构满天飞,被称为常规气动布局。

其实此后的飞机——特别是战斗机——一直纠结于稳定性和机动性,直到电子时代计算机控制的出现,主动控制系统(即自动增稳系统)操纵相应舵面,保证飞机的稳定性,飞机得以放宽静稳定性设计,一定程度缓解了这对矛盾。按照飞行安全要求,民航客机必须保证静稳定性,近年来通过一定程度的放宽静稳定性,减少了阻力,降低了设计质量、增加了有效载荷和航程。

转过头来再说鸭翼布局。普通的尾翼布局,水平尾翼产生稳定的代价就产生升力小,还会是负升力,产生的阻力大。鸭翼则产生正升力,升阻比大,配平阻力比较小,距离近,机身结构重量减轻。大迎角飞行时,离机翼近的鸭翼加强机翼的前缘涡流,改善飞机大迎角状态的性能,也有利于飞机的短距起降。随着空气动力学的进步,1960年美国的XB-70、瑞典的Saab-37雷之后,鸭翼重新开始展露头角,在战斗机、轻型飞机、超音速飞机领域崭露头角,这必定是莱特兄弟和桑托杜蒙始料未及的。

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水鸟千斩翼体育社会学博士

2016-08-12 22:43
支持者: 元素碳 marssi

更正一下,是里约奥运会,不是巴西奥运会^_^

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支持者: laomao0000

https://www.zhihu.com/question/37011740

鸭式布局不等于不稳定,常规布局不等于稳定。静稳定性不由布局决定。

有些飞机“倒飞”,这是点开的科技树不一样。

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支持者: 可心树懒

鸭式飞机,跟“歼十”一样。

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去看毛子的Su-47金雕,可以在接近音速的情况下攻角达到120°

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为什么叫鸭翼,不叫鸡翼或者其他的名字

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支持者: srrsh01

我懂了

人家莱特兄弟发明的是滑翔机

杜蒙的才是真正的飞机.........

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现在兔子对于鸭翅也很玩得转了,棍子,中秋,黑丝带,等等都是有鸭翼的

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支持者: 阿瑟恐龙

这和英国人和美国人抢谁是电梯的发明者情况一样,英国人坚持把电梯叫lift,美国人叫Elevator。


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阿尔伯特-爱因斯坦继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家,1921年诺...

2016-08-08 09:40

飞机头向上斜着身子还往前顶着气流运动,跟悬挂动力三角翼一个原理,其实旋翼机也是这个原理。
  在飞行表演的时候,飞机经常会倒飞,这个时候高度很低,是不允许掉高度的,所以飞机迎角比较大。一般倒飞时对燃油系统有要求,很多飞机必须有专门的倒飞油箱,倒飞持续的时间很短。
  大部分体形较大的飞机(大中型飞机)都不能倒飞,它们的设计强度有限,会在从正飞转向倒飞的过程中就解体,自然不能完成倒飞的动作。
  支持倒飞首先要求飞机有足够的强度和机动性,普通飞机倒飞时升力会与正飞时相反,这是需要平尾和副翼改变角度以维持高度。至于超音速飞机,它机翼设计的即是上下相同的菱形机翼,正飞与倒飞的效果是相同的,而且可以支持高速倒飞。

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神秘的东东资不深结构工程师

2016-08-06 11:28

划重点了,明年的历史高考题。

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