飞机是什么样的高科技产品—美国退役飞机公司
六月分享人
吉笑峰
飞机设计高级工程师
中国商飞上海研发中心高级工程师
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内容摘要
一.个人作品分享
二.飞机的起源
三.以C919为例，讲解设计一台飞机的标准
1.风洞试验
2.失速试飞
3.最小离地速度
4.最大刹车能量
5.溅水试验
6.大测风验证
7.鸟撞试验
8.从设计到运营
四.从1903到现代的飞机变化
五.总结
一
个人作品分享
在中国商飞研发中心10年的工作经历中，吉笑峰参与研制了
中国第一架自主知识产权支线客机ARJ21-700飞机
（支线客机指的是只在中国境内飞行，不飞国际航线）
ARJ21-700
ARJ21民用客机是中国商用飞机有限责任公司研制的双发动机新支线客机。ARJ21是英文名称“Advanced Regional Jet for the 21st Century”的缩写（ARJ全称为“Advanced Regional Jet”），意为21世纪新一代支线喷气式客机。
中国首家自主知识产权干线客机C919
（干线客机是指用于国际航线和国内航空运输枢纽站之间航路的“客机”）
C919
C919客机属中短途商用机，实际总长38米，翼展35.8米，高度12米，其基本型布局为168座。标准航程为4075公里，最大航程为5555公里，经济寿命达9万飞行小时。
在使用材料上，C919将采用大量的先进复合材料、先进的铝锂合金等，其中复合材料使用量将达到20%，再通过飞机内部结构的细节设计，把飞机重量往下压缩，另外，C919将会使用占全机结构重量20-30%的国产铝合金、钛合金及钢等材料，充分体现了C919大型客机带动国内基础工业的能力与未来趋势。同时，由于大量采用复合材料，较国外同类型飞机80分贝的机舱噪音，C919机舱内噪音可望降到60分贝以下。
中国与俄罗斯合作研制首架宽体客机CR929飞机
（宽体客机又称宽机身客机，是指具有大直径机身客舱，有两个通道，载客量在300人以上的喷气客机）
ARJ21-700
中俄远程宽体客机采用双通道客舱布局，CR929-600的航程为12000公里，280座级；通过采用先进气动设计、大量应用复合材料、装配新一代大涵道比涡扇发动机等提高飞机综合性能指标，宽体客机将比同类机型具有更低的直接运营成本。宽体客机将按照国际主流适航标准开展研制。
二
飞机的起源
吉笑峰跟我们分享，飞机的设计，主要是从小鸟滑翔的时候翅膀的状态得出的启示。约在公元1800年，气体动力学创始人之一的英国科学家凯利，曾深入地研究过飞行动物的形态，寻找最具流线型的结构。他模仿鸟翼设计了一种机翼曲线，与现代飞机机翼截面曲线几乎完全相同。正是通过对鸟类的一系列的研究，终于找到了人类上天的关键所在。在人们模仿鸟类翅膀，采用大功率轻便发动机带动螺旋桨之后，美国莱特兄弟终于在1903年发明了飞机，实现了人类梦寐以求的飞上天空的愿望。
各种不同鸟类翱翔天空的体态
头雁飞行和第一架滑翔机的关系
飞机还没有出现的时候，在古老的中国，人们就已经开始有想要飞行的欲望。
左上图中，装置的后面是鞭炮，有后面的人负责点燃，前面的人坐在仿制的座位上双手拿着扇子，企图想要利用这样的方式飞行。
右上图中，人利用大型风筝，将士兵绑在上面，目的是在战争时期去勘察敌方的军情。
左下图中，中国的很多武侠小说中，武功高强的人都会利用气功飞翔在水面上，天空上。
右下角的个人飞行装置，这个机器目前已经被量产。
在飞机出现之前，人类从古至今希望靠自己的力量飞翔在天空上。
终于，1903年12月17日，莱特兄弟的飞行者一号开始了人们对于天空探索的第一步。
1903年，莱特兄弟终于尝试制造机器，将人送到天空上，使人离开地面。
飞行者1号有四个设计要素：
完全可以控制，
自身的动力
等体机身的比重比空气重
持续滞空不落地
莱特兄弟制造飞机是用木材/铁片和布料制作的，这些材料的整体比重比同体积的空气重，这才让现代的飞机得以实现。
为什么飞机比空气重，还可以在天空中飞行？
这时，吉笑峰对大家抛出了这样的问题，大家议论纷纷。
答：原来飞机可以在天空中飞行的原理是伯努利原理（英语：Bernoulli's principle），又称柏努利定律、伯努利定律（英语：Bernoulli's Law）。
P1+dgy1+1/2dV1平方=P2+dgy2+1/2dV2平方
其中P为压力 d为流体密度 V为流速 y为高度
(记法:压力+动能+位能=定值)
简单的说就是"流体流速愈大 压力愈小"
飞机能飞在空中即利用此原理
飞机向前飞，在机头的空气不管是背部或腹部皆须同时到达机尾
因为飞机背部呈弧形，腹部成平面状
所以背部的空气流速快，相对腹部压力就较小
所以压力大的腹部空气可以支撑飞机的重量，飞机也就飞起来了
这是水平状态的应用
上图右上角是飞机机翼的截面，上半部分的弧度比下半部分的弧度大一些，当飞机在跑道上前进的时候，从机翼前端到机翼后端的空气是同时抵达的。
但流到机翼上半部分的空气比流到机翼下半部分的空气速度快，因为上半部分的弧长比先下半部分的弧长长。根据伯努利原理，速度快的地方，压力就小，速度慢的地方，压力大。
这时候就会产生压力差，空气会从压力大的地方留到压力大的地方，这时候就造成了托举力。就是这样的托举力让飞机升空的。
当飞机在跑道上的速度够快时，托举力将大于机身重量的重力，这时，飞机就可以起飞了。
伯努利原理简单试验
他现场示范了伯努利原理中很简单的试验，将两张A4纸垂直的放置在嘴巴前面，对着两张纸中间吹气，这时，因为纸中间的空气流动速度快，所以两张纸的中间因为速度快造成了压力小而并在了一起，两张纸左右两端空气速度为零，而造成较大的气压，导致两张纸的中间部分重叠在一起。
这时，吉笑峰又向大家提出了一个问题：
飞机的燃油放在飞机的什么地方？
现场的朋友都猜是藏在飞机的机身里面，正确答案是机身里面大部分空间都给了乘客和行李空间，燃油主要储存在机翼里面。
答：燃油放在机翼里面的原因是为了飞机全身的重要，加上机翼本身是中空的，机翼如果重量太轻的话，机翼会往上翘。这样容易造成机翼和机身连接处的断裂。
经过吉笑峰图文并茂又带着简单生活小实验的解释，关于飞机许多晦涩难懂的原理都被解释清楚了。
三
以C919为例，讲解设计一台飞机的标准
C919下线（从工厂生产出来交付给客户）时候的仪式照片
设计出一台商用飞机是需要通过非常严苛的法规与要求的。
吉笑峰说，要把飞机卖给什么国家就要符合该国家对于飞机的要求。
比如三大航空法规：
FAA（美国联邦航空管理局）
CAAC（中国民用航空局）
EASA（欧洲航空安全局）
无图
不管是什么法规，其实都是跟随FAA的法规定的。
其中FAA定出的法规是要求最为严苛的。只要FAA其中有哪条法规修改的话，CAAC也会跟着跟进。基本上法规的内容跟随着以下四个要素宗旨来进行改进。
在飞机的设计中，也会经过很多高科技的设计方法来检验飞机是否符合法规，接下来吉笑峰为我们一一介绍都是什么样的设计方法可以检验出飞机是否可以符合法规和四个飞行要素。
1「风洞试验」要检验一个国家是否有制造飞机的能力，必须要看这个国家是否可以制造一个风洞。风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。
风洞试验
上图左上角是一架民航机的比例模型，这架比例模型为了真实的模拟机身在高空飞行时气流流过机身时的情形，其表面处理必须非常光顺。吉笑峰讲到这里，让大家猜猜这家不比例模型的造价是多少呢？大家纷纷猜测几百万，5/6百万，正确答案是价钱大概跟等体积的黄金价位相同。（大家纷纷开始计算现在黄金的市场价是什么）因为一般风洞是装不下一台民航机的，只能依靠制作比例模型来测试。而在我国的某个地区已建造出了世界上目前直径最大的一座风洞实验室。中国JF12激波风洞项目从2008年开始研制，在2012年5月的时候才初步完成验收工作，汉和主编平可夫称道，中国JF12激波风洞长度大约265米，重量可达1000吨左右，分为主体系统和附属系统两个组成部分，而风洞实验室里面的风速基本上可达到10倍声速以上，喷管直径约为2.5米左右，速度最高可达9马赫，最高温度约为3000°C左右，比美国军方现役的风洞还要快2倍以上。
JF12激波风洞
2「失速试飞」飞机在量产之前会为了符合法规要求而做许许多多的试验。其中，失速试飞指的是飞机在空中没有一定速度时，空气无法给予足够的浮力，于是飞机会开始坠地。这些试飞员必须在试验场所不断让飞机起飞，制造失速的情况，观察飞机会发生什么样的情形。
失速试飞试验
3「最小离地速度试验」最小离地速度试验是指测试飞机至少在多小的速度下就可以起飞。起飞前速度就要快慢会要求机场有多长的跑道。如果能在最小离地速度起飞，机场的跑道长度也会因此缩短。
最小离地速度试验
而图中机尾拖地产生火花是因为试飞员在测试的时候需要尽量抬升机头，方便在最小离地速度的情况下起飞，所以机尾会拖地。
4「最大刹车能量」在测试飞机降落的时候，机轮中间的刹车叠片目的是确保在一定长度的机场跑道下，该飞机的刹车能力可以在相应的长度的跑道上完全将飞机静止停稳。
左图刹车叠片 右图刹车到完全静止
5「溅水试验」有时因天气原因飞机降落的时候，机场跑道可能会积水，为了测试降落时水花溅起时，飞机会有什么样的情况。他们特意建造了一个水池，水池深30CM。也旨在检验客机在大量积水跑道上的表现，确认在滑跑过程中不论是飞机底部的水，还是前起落架溅起的水都不会进入发动机和辅助动力装置(APU)。检验飞机的安全性能。
溅水试验
6「大侧风验证试验」吉笑峰讲，当进行大侧风验证时，他们需要专门去测试大侧风的空间。以ARJ21-700为例，需要前往冰岛进行该验证试验。而且做试验验证时，要一直等待出现侧风才能做实验。因为当飞机降落时，侧风将会大大影响飞机降落时的安全问题，并且考验飞机在起降过程中遇到和跑道走向不一致的风时是否安全。
大侧风验证试验
7「机翼结冰积冰试验」机翼积冰指飞机机体表面某些部位聚集冰层的现象。它主要由云中过冷水滴或降水中的过冷雨碰到飞机机体后结冰形成的，也可由水汽直接在机体表面凝华而成。飞机在云中飞行时间过长易导致积冰。并且在某些航线上，会有比较极端的气候情况出现，所以吉笑峰所在的商飞设计研究院需要找到会发生这个情况的试飞场地，要求有足够的低温和水汽。这个实验目的是检测当机翼结冰时，气流是否可以顺畅的流过机翼，否则会影响整个飞行的稳定度。
机翼结冰现象
8「鸟撞试验」顾名思义，鸟撞就是飞鸟与高速运动物体之间的撞击。鸟撞飞机是一种突发性和多发性的飞行事故，一旦发生，存在造成灾难性事故的风险，直接威胁到空勤人员及旅客的生命安全，造成重大的经济损失，轻则导致被撞击结构部件的损坏，重则引发机毁人亡。随着航空事业的迅速发展，航班运营次数和低空高速飞行任务的增加，鸟撞飞机的事故近年来频繁发生。
国外一次鸟撞事故后地勤人员轻松的与“罪魁祸首”合了影，但“鸟撞”发生时飞行员无疑是心惊胆战的
那么，这个鸟撞试验是如何进行的？需要哪些试验设施设备？飞机结构与飞鸟的撞击过程中，事故严重与否主要是取决于鸟的重量、鸟的速度和鸟的撞击位置。鸟的重量在规范条例中都有着明确规定的，比如大型客机研制中，需要证明其机头、机翼具有承受1.8kg鸟撞击的能力，尾翼具有承担3.6kg鸟撞击的能力。
鸟撞试验中的空气炮
航空工业科研人员创新开发的“明胶鸟弹”
而试验中鸟的飞行速度，则是通过空气炮来“获得”。空气炮就是一门用空气做动力的大炮，利用压缩空气驱动做成炮弹状的鸟（简称“鸟弹”），沿着炮管加速至要求的速度后撞击飞机结构。
人工鸟弹的撞击试验
至于说，试验中的“鸟弹”当然不能是大雁老鹰了，而是由死去的家禽来制成。不过，随着技术发展航空工业的科研人员已经创新开发出了“人工鸟”，用明胶混合物可以很好地模拟鸟体，并已应用于发动机叶片鸟撞试验中，应用效果良好。从以上试验中可以看出一架飞机从设计到运营，需要经历太多太多的考验和要求。
吉笑峰告诉我们，飞机在从一开始设计到最后载客的这六项的大致流程，需要经历10-20年的时间。
四
1903年飞行者1号到现代飞机
吉笑峰讲解了飞机从人类历史的第一台莱特兄弟的飞行者1号到现代飞机外观上的变化和其中时代的连结。他说，战争的发现是推动了整个飞机发展的主要因素，因为在战争时代，前沿技术的发明都会根据战争需求应用在飞机上。所以可以从上图看出吉笑峰将飞机的变化用一战到二战再到现代来划分。
在第一部分，我们已经了解到了飞行者一号的相关知识，所以现在从一战时期飞机的特点开始分享。
「一战时期的飞机」
红男爵——里奇特霍芬
B4545
一战时期的战斗机，飞行员都是暴露在空气中的，还没有密闭的机舱。
因为当时一战的飞机所能到达的飞行高度还没必要有密闭的机舱设计。
这个阶段的战斗机还处在萌芽期，结构多以木材加上布料蒙皮构成，机翼从单翼到三翼都很常见，主要的武器多半改自陆军使用的轻机枪为大宗。英国曾经使用火箭对付盘据在英国城市上空的德国飞船。在对付地面目标上，早期的炸弹是由手榴弹或者是小型炮弹稍加改良而来，由机上的成员以手掷的方式瞄准释放，投掷准确度不高，破坏力也低。到一次世界大战结束时，战斗机的基本型态大致上已经有了雏型：以小型机为主，强调运动性，需要有向前射击的固定武装。
「二战时期的飞机」
二战期间飞行速度增量约为一战期间增量的3倍。并由此诞生了一批世界名机，如：美国的P-51“野马”式、英国的“喷火”式、德国的“梅塞施米特”MG-109型、苏联的雅克-9型和拉-5型和日本三菱公司研制生产的“零”式战斗机。
从相对作战杀伤力指数的数量变化来看，二战中的战斗轰炸机的相对作战杀伤力指数为415，一战中战斗轰炸机仅为11，二战中战斗轰炸机的相对作战杀伤力指数是一战时的近38倍。由此也可以看出，二战时期航空武器装备作战能力有了质的提高，从而为战场大规模运用创造了条件。
「战后到现代飞机」
在这两阶段，吉笑峰给大家分享了国内外具有代表性的六架飞机。
F16
F-16战隼（英语：F-16 Fighting Falcon）是由通用动力公司（现为洛克希德马丁）所研制。原先设计为一款轻型战斗机，辅助美国空军主流派心目中的主力战机F-15，形成高低配置，后来演化为成功的多功能飞机。在战机世代上为第四代战机（美国标准为第三代战机）。
鹞式战斗机
鹞式（英语：Harrier Jump Jet）是一个军用喷气式战斗机系列，能够垂直/短距离起降。历史上英国研发鹞式战斗机，是为在核战时机场被战术核武器摧毁时，能够从停车场或者林中空地起降保卫领空。后来设计被修改为用作航空母舰舰载机。鹞式是亚音速飞机。缺点是航程过短。
鹞式系列有两代4种型号：
- 霍克西德利鹞式战斗机
- 英国宇航海鹞战斗机
- 麦道AV-8B鹞II攻击机
- 英国宇航鹞II战斗机
霍克西德利鹞式战斗机是第一代版本，也称作AV-8A鹞式。海鹞是其海军型号，用于攻击与防空。AV-8B与英国宇航鹞II是美国与英国的的第二代鹞式战斗机。
吉笑峰也跟大家分享了关于鹞式战斗机的战争往事。在马岛战争中，
马岛上空的空战最先掀起了英阿双方的正面较量，此后在双方的空中较量中，尽管阿根廷空军表现英勇，但阿军战机几乎全部败下阵来。在战争结束后，英军海鹞战机（鹞式战斗机）因为21:0的战绩而名噪一时，鹞式这型世界上第一种实用型垂直/短距起降战斗机也立即被媒体和众多分析家“神话”。（战斗机迷和历史爱好者们大家可以各抒己见，有很多人认为鹞式战斗机在本次战役中发挥的并不是很完美）
马岛战争
苏27
苏-27战斗机（又称为苏-27歼击机，简称苏-27）是在前苏联时期由苏霍伊设计的单座、双发、全天候、重型战斗机。其北约命名称为侧卫（Flanker）。
苏-27由前苏联研制，设计目的是为对抗1970年代美军发展的战斗机，主要假想敌是F-15。设计要求长程、重武装、及很高的操控灵活性。苏-27除了担任空优任务为主的机型之外，还有其他多种任务的衍生型。依照欧美国家划分之战机世代上，属于第四代战机。
是一架很神奇的战斗机，是当时战斗机里面唯一可以做出眼镜蛇机动的战斗机，眼镜蛇机动的目的是战斗机在被敌机追击的情况下将机头抬起，宛如眼镜蛇一般，这时速度急剧降低，并且可以马上绕到敌机后方。就会逆转战局。
整个动作的持续时间约为5秒。动作结束后，飞行速度约为每小时120～130公里，飞行高度几乎不变。
眼镜蛇机动示例图
歼10
歼-10（编号J-10；中国官方命名猛龙；北约代号：火鸟（Firebird），是中华人民共和国成都飞机工业集团为中国人民解放军空军研制、生产的单引擎、全天候、多功能、采用鸭式气动布局的第四代中型战斗机。
在设计上，歼-10采用三角翼加三角鸭翼的近距耦合鸭式气动布局，主翼为三角中单翼，采用机动前缘襟翼。切尖三角鸭翼位于进气道上方机身，矩形带附面层的发动机进气道位于机身腹部，进气道口与机身之间有加强筋，机身上有气泡式驾驶员座舱，机身向后自然过渡，机翼与机身之间平滑过渡，后机身为发动机舱，采用单垂直尾翼以及两片向外侧倾斜的面积较小的腹鳍。
歼-10采用放宽静安定度设计，战机的主要控制面由全权限数字式电传飞控系统实现自动和综合控制。歼-10是中国制造的第一种大量采用复合材料的战斗机。机头设备舱两侧、鸭翼、襟副翼、垂直尾翼、腹鳍、发动机尾喷口均使用复合材料制造。歼-10是中国空军继歼-8D后第二种拥有空中加油能力的战斗机。
五
总结
最后，吉笑峰让大家猜猜看下图中这么多星星点点是什么。
原来这些是每一天各大航空枢纽的航班飞在天空上的航次线路点。
他说飞在我们头顶上的这些商用飞机，其实身体上的每个零部件都是出自全世界各地不同的供应商。所以说他们在设计一架飞机时都需要把这些部件统合在一起去考虑。
飞机各部件隶属于不同供应商
在本月分享会中，吉笑峰为大家带来了非常有趣和专业的知识，这都是在他从事飞机研发十余载的时间中提炼出的精华。
也让我们体会到了打造出安全、经济、舒适、环保的大型客机是多么不容易和需要经过多少历练过程的事情。
也感谢在场的所有朋友积极地参与和踊跃的发问，让现场的气氛非常火热。
再次感谢所有参与者的到来和分享人吉笑峰的分享！
