固定翼飞机

固定翼飞机（Fixed-wing plane）简称为飞机（英语：Plane），是指由动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。^[3][1]

固定翼飞机主要结构包括机翼、机身、尾翼、起落架和发动机等组成。^[1]1903年12月17日，人类历史上第一架可操控的飞机诞生，随后就到了双翼飞机，它拥有两个翼面，其机翼的总面积相对较大。由于其局限性，从20世纪30年代开始，双翼飞机逐渐被单翼飞机所取代。1939年8月27日，装有冯·奥亨研制的Hes3B涡轮喷气发动机的He178飞机首次试飞成功，这标志着喷气式飞机开始在航空领域扮演重要角色。截至2022年，固定翼飞机中载重能力最好的是前苏联安托诺夫设计局研发的An-225梦想式运输机，其离陆重量超过600公吨，有效载荷重量可达300公吨。^[1]

2015年12月7日，中国首架极地固定翼飞机“雪鹰601”在南极中山站附近的冰盖机场成功试飞。^[4][5]2023年2月24日，一架PC-12型固定翼飞机在内华达州坠毁，机上5人全部遇难。^[6]当地时间2024年1月2日，日本海上保安厅一架机号为MA722固定翼飞机与日航空客A350客机相撞，机上共搭载6人，其中5人死亡，机长重伤逃出。^[7][8]

固定翼飞机是飞机巡航时，负责产生升力的机翼运动方向与巡航方向一致的飞行器。^[1]

由于飞机在起飞着陆和低速飞行时需要较高的低速巡航效率和较大的起飞着陆升力，所以它要使用较大的后掠角，这时机翼展弦比最大。当飞机在超音速飞行时，它需要减小飞行阻力，所以飞机使用较小的后掠角，机翼展弦比和相对厚度随之减小。另外，超音速轰炸机和强击机作超低空高速飞行时，也要求机翼后掠角小，展弦比小，这样才能减少不平稳气流引起的颠簸。^[1]

速度快。喷射客机的巡航时速在900千米/小时左右。^[9]机动性高。固定翼飞机飞行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔，而且可根据客、货源数量随时增加班次。^[9]安全舒适。据国际民航组织统计，民航平均每亿客公里的死亡人数为0.04人，是公路交通事故死亡人数的几十分之一到几百分之一，和铁路运输并列为最安全的交通运输方式。^[2]

价格昂贵。无论是固定翼飞机本身价格，还是固定翼飞机所消耗的油料费用，都比其他交通运输方式高昂。^[9]受天气情况影响。虽然现在航空技术已经能适应绝大多数气象条件，但是比较严重的风、雨、雪、雾等气象条件仍会影响飞机的起降安全。^[9]起降场地有限制。大部份固定翼飞机都需要机场来提供较长的跑道起降，它对起降的要求比较严格。^[9]有一定的危险。虽然国际民航组织统计的飞行事故率远低于其他常见运输工具，但是飞行事故幸存率很低，因此给人们心里感觉有危险性。^[9]环境影响。虽然固定翼飞机的燃油效率一直在提升，但飞行时每消耗1千克燃油就会排放3千克二氧化碳，并直接排放到大气层，对全球变暖影响更大。^[1]

1903年12月17日，来自美国俄亥俄州代顿的自行车制造商莱特兄弟制造了一架结构单薄、样子奇特的双翼飞机—“飞行者一号”试飞成功。这是人类历史上第一架能够自由飞行、可以完全操纵的飞机，这一天也成了飞机诞生日。^[1]

双翼飞机拥有两个翼面，其机翼的总面积相对较大。在飞机发展起始阶段，发动机的功率相对较低，且重量较大，而机体大多是由木材和蒙布等材料构成。为了飞机能顺利升空，所以飞机在低速飞行条件下要产生足够的升力，因此飞机机翼需的面积更大。然而，随着飞行速度的逐渐提高，双翼飞机的机翼及支柱产生的阻力越来越大，双翼就成为提高速度的主要障碍。自高强度铝合金问世后，人们能够制造出能承受大载荷且结构重量较小的薄机翼。因此，从20世纪30年代开始，双翼飞机逐渐被单翼飞机所取代。在现代的飞机中，除了一些对载重量和低速性能有特殊要求的小型飞机外，双翼飞机的出现已经越来越少见。^[1]

单翼螺旋桨飞机是指一种配备有螺旋桨的单翼飞机，它利用空气通过螺旋桨将发动机的功率转化为推进力。根据发动机类型的不同，这种飞机可以分为活塞式螺旋桨飞机和涡轮螺旋桨飞机。如果飞机的发动机是涡轮式的，那么这种飞机就被称为涡桨飞机。^[1]

在二十世纪四十年代之前，受限于技术水平，人类生产的大部分飞机都是螺旋桨式飞机。而在三十年代至四十年代之间，单翼螺旋桨飞机一直占据着主导地位。随着科技进步，发动机技术水平也在不断提升。到了二十世纪四十年代，喷气式飞机开始崭露头角。喷气式飞机所使用的喷气发动机通过燃料燃烧时产生的气体高速喷射，产生反冲作用，使飞机向前飞行，并获得更大的推力，使飞机飞得更快。但由于其使用成本高昂、低速机动性能较差、对材料要求高等问题，单翼螺旋桨飞机在某些特定领域仍然具有不可替代的作用。^[1]

单翼飞机的局限性主要体现在动力系统上，一方面，其转速无法无限提升，当达到一定转速后，提升效果变得微不足道，因此只能通过提高飞行高度来减小阻力。但高空中稀薄空气导致螺旋桨产生的动力降低，从而限制了飞行高度的提升，这是单翼飞机的致命缺陷。^[1]

1939年8月27日，装有冯·奥亨研制的Hes3B涡轮喷气发动机的He178飞机首次试飞成功，这标志着喷气式飞机开始在航空领域扮演重要角色。喷气式飞机使用喷气发动机作为推进力来源，与螺旋桨式飞机相比，它具有许多无法比拟的优势，例如更高的速度、更大的升限、更强的空重和机动能力。自二十世纪四十年代以来，喷气式飞机一直活跃在人们的视野中。时至现代，许多曾经限制喷气机发展的因素已经被克服，喷气式飞机在未来半个世纪内仍将在天空中占据主导地位。^[1]

飞机的机体主要结构包括机翼、机身、尾翼、起落架和发动机等组成。^[1]

机身是装载设备，它也起到了将尾翼、机翼、发动机等部分联结成一个整体的作用。从结构上看，机身像中部支撑在机翼上的一根悬臂梁，在装载物的惯性力和尾翼集中力作用下，其两端向下弯曲，而在垂直尾翼侧力作用下，机身水平方向也会弯曲，但比垂直方向小。^[10]

在结构受力方面柱形的机身比薄的机翼有利得多。因此其结构件剖面尺寸比机翼小，刚度比较大。机身结构由蒙皮、纵向和横向骨架组成。纵向骨架有桁条、桁梁和纵向局部加强件，横向骨架有普通框和加强框，除桁梁和纵向局部加强件外，其他结构元件的基本作用与机翼结构元件相同。^[10]

梁式机身的根桁梁承受机身大部分或全部的弯曲正应力。其蒙皮较薄，只承受扭矩和横向剪切力。而它的桁条较少，用于支持蒙皮或承受少量轴向力。这种结构型式多用于机身口盖较多的部位。蒙皮不可能受力，宜用梁式结构。^[10]

半硬壳式机身没有强的桁梁，它密布的桁条与蒙皮一起承受弯曲正应力。这种结构重量较轻，如果机身上有开口较少的部位，则大多采用这种结构形式。^[10]

硬壳式机身没有桁梁和桁条。其为了改善蒙皮的支持情况，会在沿机身长度方向布置有较密的普通框即密框结构。该结构机身一般用在弯矩很小而又无大开口的部位，有些轻型飞机为便于制造而采用硬壳式机身。^[10]

机翼是飞机产生升力的部件，根据伯努利定律，机翼的上半部较下半部突起，以机翼侧面剖面来看这让机翼上半部气流的流动路线比下半部长，因此机翼上半部气流流动速度较下半部快气压较小，飞机在跑道上冲刺到一定速度后这气压压力差就产生足够升力让飞机起飞。^[1]

机翼后缘有可操纵的活动面。靠外侧的叫做副翼，其用于控制飞机的滚转运动。靠内侧的则是襟翼，它可以增加起飞着陆阶段的升力。机翼的内部通常会安装油箱，而机翼下面则可供挂载副油箱和武器等设备。还有些飞机的发动机和起落架也被安装在机翼下方。^[1]如果机翼安装在机身的上不同部位，则会称为高翼、中翼、低翼设计。机翼还可以通过按拥有机翼数量不同来进行分类，有一组机翼的飞机称为单翼机，有两组机翼的飞机称为双翼飞机或者复翼飞机。^[10]而在航空技术不发达的早期为了提供更大的升力，固定翼机以双翼机甚至多翼机为主，但现代飞机一般是单翼机。^[1]

尾翼是用来平衡、稳定和操纵飞机飞行姿态的部件，通常尾翼包含两部分，分别是垂直尾翼（垂尾）和水平尾翼（平尾）。垂直尾翼是由固定的垂直安定面和安装在其后部的方向舵组成，而水平尾翼是由固定的水平安定面和安装在其后部的升降舵组成。一部分型号的飞机，它的升降舵由全动式水平尾翼代替。方向舵用于控制飞机的航向运动，升降舵用于控制飞机的俯仰运动。^[1]

起落架是用来支撑飞机停放、滑行、起飞和着陆滑跑的部件，它由支柱、缓冲器、刹车装置、机轮和收放机构组成。陆上飞机的起落装置一般由减震支柱和机轮组成，此外还有专供水上飞机起降的带有浮筒装置的起落架和雪地起飞用的滑橇式起落架。^[1]一般的，起落架有着不同的布置形式，如前三点式、后三点式和自行车式等。^[10]

现代飞机上使用最广泛的是前三点式起落架。它布置形式是两个主轮保持一定间距左右对称地布置在飞机质心稍后处，而前轮布置在飞机头部的下方。当飞机在地面滑行和停放时，为了方便旅客登机和货物装卸，机身地板基本处于水平位置。而重型飞机采用增加机轮和支点数目的方法来降低轮胎对跑道的压力，从而达到改善飞机在前线土跑道上的起降滑行能力。^[10]

在早期的螺旋桨飞机上后三点式起落架被广泛采用。其布置特点是两个主轮（主起落架）在飞机的质心之前并靠近质心，而尾轮（尾支撑）则是远离质心布置在飞机的尾部。当飞机在停机状态时，主起落架上承担了飞机90%的质量，其余的10%由尾支撑来分担。后三点起落架重量比前三点轻，但其在地面转弯时灵活度不够，容易出现刹车过猛时飞机有“拿大顶”的危险，所以现代飞机已很少采用。^[10]

自行车式起落架用得不多的，它的布置是前轮和主轮前后在飞机对称面内（即在机身下部），而重心距前轮与主轮几乎相等。该布置型式会在机翼下还布置有辅助小轮，以防转弯时倾倒。由于起飞时抬头困难，所以这种布置型式采用的较少。^[10]

推进系统的主要功能是提供可控的推力，使空气进出发动机，并为一些附属装置提供动力。推进系统由发动机、螺旋桨、发动机空气进气口和排气口、润滑系统、发动机控制、传动附件以及传动机匣等组成。如果飞机有螺旋桨，在高转速的发动机轴和低转速的螺旋桨传动之间的减速齿轮和轴系称为动力传动齿轮系统。^[11]

飞机的动力装置的核心是航空发动机，其主要功能是产生拉力或推力来克服与空气相对运动时产生的阻力使飞机前进。次要功能则是可以为空调设备等用气设备提供气源、用电设备提供电力等。飞机的动力装置除发动机外，还包括一系列保证发动机正常工作的系统，如发动机燃油系统、发动机控制系统等。^[1]

固定翼飞机的发动机既可以安装在飞机结构中，也可以安装在吊舱中。发动机驱动的螺旋桨或内部风扇、或由一个或多个发动机的喷气流、或由这两种方法联合给飞机飞行提供必需的推力。发动机的类型有活塞式喷气发动机、冲压式喷气发动机和燃气涡轮发动机。^[11]

现代飞机的动力装置一般为喷气式发动机和螺旋桨发动机。应用较广泛的配置方式有四种：航空活塞式发动机加螺旋桨推进器;涡轮喷射发动机;涡轮螺旋桨发动机;涡轮风扇发动机。随着航空技术的发展，火箭发动机、冲压发动机、原子能航空发动机、脉冲爆震发动机等，也有可能会逐渐被采用。^[1]

驾驶杆或驾驶盘和方向舵脚蹬。在某些采用电传操纵系统的飞机上，驾驶杆或驾驶盘已经被简化成位于驾驶员侧方的操纵杆（sidestick），也称为“侧杆”。^[1]

襟翼手柄、配平按钮、减速板手柄等。^[1]

在大型飞机中，传统的机械式操纵系统已逐渐地被更为先进的电传操纵系统所取代，计算机系统全面介入飞行操纵系统，驾驶员的操作已不再像是直接操纵飞机动作，而更像是给飞机下达运动指令。由于某些采用电传操纵系统的飞机取消了原有的驾驶杆或驾驶盘等装置而改为侧杆操纵，驾驶舱的空间显得比以往更加宽松，所以有些驾驶员称此类驾驶舱为“飞行办公室”。^[1]

注：以上是部分历史上的最大航速纪录

新加坡航空公司于2004年6月28日重新开通了新加坡与美国纽约纽华克机场之间的每日不停站直航航班，航班号为SQ21/SQ22。该航线超过了新加坡至洛杉矶的航线，成为当时全球最长的商业飞行航线，航程达到了16600千米，飞行需时18小时。新航使用空中客车A340-500客机执飞该航线。^[12]

截至2022年，固定翼飞机中载重能力最好的是前苏联安托诺夫设计局研发的An-225梦想式运输机，其离陆重量超过600公吨，有效载荷重量可达300公吨。而在载客人数方面，最多可搭载853人的空中客车A380客机于2005年初发布，采用最高密度座位布局。^[12]

2023年2月24日，一架PC-12型固定翼飞机在内华达州坠毁，机上5人全部遇难。^[6]

当地时间2024年1月2日，日本海上保安厅一架机号为MA722固定翼飞机与日航空客A350客机相撞，机上共搭载6人，其中5人死亡，机长重伤逃出。^[7][8]

2015年12月7日，中国首架极地固定翼飞机“雪鹰601”在中山站附近成功试飞后，科考队员们合影留念。固定翼飞机在南极考察，特别是内陆考察中可发挥快速运输、应急救援等重要保障作用，同时可搭载多种科学观测设备，是高效的科研平台。据介绍，世界上只有少数几个国家在南极拥有集快速运输、应急救援和航空科学调查于一体的多功能固定翼飞机。加快固定翼飞机在中国南极考察中的成熟应用，具有重要意义。^[5]