1.1 飞机
图1-1所示为一个简单的螺旋桨驱动飞机的示例。飞机上有四种力：主要由机翼提供的升力，基本完全由风提供的阻力，由螺旋桨提供的推力，以及重力。
升力是由于翼面上下表面所受气压的不同形成的。翼面是一个通用术语，这里指的是飞机的机翼、水平尾翼或垂直尾翼。图1-2显示了经过一个翼面（机翼）的气流流线。机翼上表面的空气比机翼下表面的空气传播速度更快（因为距离更远）。由于速度的差异，机翼上表面所受的气压要小于机翼下表面所受的气压。由此产生的向上的力就是我们所说的升力。我们把升力称为空气动力。图1-3显示了在风洞中流过机翼的气流流线。
图1-1 飞机受的四种力
图1-2 升力是由于机翼的形状导致机翼上方的压力小于其下方的压力形成的
图1-3 风洞中流过机翼的气流流线
来源：http://www.decodedscience.com/how-does-an-airplane-fly-lift-weight-thrust-and-drag-in-action/5200
图1-4中的水平圆柱形玻璃管（文丘里管）用于实验证明空气压力随着空气速度的增加而降低。文丘里管中来自右侧的原始气流被迫流过一个瓶颈进入直径减小的管。虽然不明显，但当速度低于超音速时，空气基本上是不可压缩的，所以瓶颈两侧空气的密度是相同的。瓶颈导致空气通过时速度增加。也就是说，单位时间内两根管子中流动的空气质量是相同的（因为空气不可压缩），因此它必须在左侧加速，因为那里的管的横截面更小。在文丘里管下方的U形管中充满水（称为压力计），并显示出左侧的空气压力小于右侧的空气压力的实验事实[1]。当空气加速时，它的压力会下降，这被称为伯努利原理。翼面的关键是机翼的形状导致机翼上表面的空气速度增加，使机翼上表面所受压力降低，从而产生升力。
图1-5中，左图显示了与空气速度v对齐的机翼中心线。空速就是飞机相对于空气的速度。图1-5的右侧显示了机翼中心线与空速成角度α。只要α不太大（8°～20°之间，取决于飞机类型），升力随α的增加而增加。我们把α称为迎角。
让我们回到图1-6所示的飞机。机翼、水平尾翼和垂直尾翼统称为翼面。机翼上的副翼、水平尾翼上的升降舵和垂直尾翼上的方向舵称为操纵面。
图1-4 文丘里管显示了气流流过瓶颈，管的横截面减小了。在这种情况下，空气基本上是不可压缩的。所以当质量流量恒定时，空气通过瓶颈时速度加快。在文丘里管下方的U形管（称为压力计）中充满水，以显示左侧的压力相对于右侧的压力减小
来源：ComputerGeezer and Geof[8].“Venturiflow”,https://commons.wikimedia. org/wiki/File: VenturiFlow.png, 2010, Licensed under CC BY-SA 3.0
如图1-7所示，操纵面通过铰链连接到翼面。飞行员可以围绕铰链旋转操纵面。如果操纵面向下偏转（相对于中心线），则由于操纵面上的（气动）力，翼面将向下低头。相反，如果操纵面向上偏转，将会导致翼面向上抬头。
图1-5 迎角
图1-6 飞机上的翼面和操纵面
图1-7 操纵面用于控制翼面俯仰。随着控制面向下偏转，翼面向下低头
1.1.1 使用升降舵控制俯仰
作为第一个关于如何使用操纵面的例子，我们考虑水平尾翼后缘的升降舵。图1-8显示了水平尾翼上的升降舵（操纵面）向上偏转，这导致飞机在其质心附近向上抬头。通过向上或向下偏转操纵面，飞行员可以使飞机分别向上抬头或向下低头。
图1-8 利用升降舵使飞机抬头
1.1.2 使用副翼控制滚转
图1-9显示了飞机左副翼下偏，右副翼上偏。两个副翼上的空气动力使飞机向驾驶员的右侧滚转。通过调整副翼的角度，飞行员可以使飞机向左或向右滚转。
图1-9 利用副翼使飞机滚转
1.1.3 使用方向舵控制偏航
最后的操纵面是垂直尾翼上的方向舵。如图1-10所示，如果驾驶员将方向舵向右偏转，那么飞机就会向右偏航，反之亦然。
1.1.4 控制飞机
驾驶员有四个控制输入：
1）控制俯仰的升降舵。
2）控制滚转的副翼。
3）控制偏航的方向舵。
图1-10 利用方向舵来改变飞机的航向
4）与螺旋桨相连以控制向前推力的发动机。
图1-11描述了小型飞机上的驾驶员如何控制升降舵、副翼和方向舵。飞行员将手放在操纵杆上（看起来有点像汽车的方向盘），如果飞行员将操纵杆拉向自己，飞机将向上抬头，反之，飞机将向下低头。请参见参考文献[9]中的YouTube动画。
如果飞行员向右转动操纵杆，飞机就会向右滚转；反之，如果飞行员向左转动操纵杆，飞机就会向左滚转。
图1-11 飞行员使用操纵杆、踏板和油门控制飞机
来源：Steve Karp[9]，“How It Works Flight Controls”, October 12, 2013, https://www.youtube.com/watch?v=AiTk5r-4coc
图1-11显示了驾驶员每只脚都踩在踏板上。踩压右踏板时飞机会向右偏航，踩压左踏板时飞机会向左偏航。
图1-11中没有显示油门[2]，飞行员可以使用它来控制发动机的转速，从而控制螺旋桨推力。
由飞机的俯仰、横滚和偏航所指定的角位置称为飞机的姿态。飞行员使用推力输入（螺旋桨）来保持机翼上方的气流。起飞时，螺旋桨必须将飞机加速到一定的速度，使流过机翼的气流足够快，以产生必要的升力。然后飞行员将调整俯仰角（使用升降舵）以获得迎角，该迎角提供到达目标高度所需的升力。在爬升过程中，飞行员可以分别使用副翼和方向舵控制倾斜（横滚）和偏航，以朝目的地方向前进。在某个固定高度的巡航速度下，螺旋桨主要产生足够的推力来抵消阻力，因此使飞机能够保持空速（从而保持升力）。对飞行员来说，第一代飞机需要大量的体力劳动，使用机械连杆来移动操纵面从而控制飞机。使用这些操纵输入，即使有横风、阵风等干扰飞机的运动，飞行员也可以使飞机安全起飞、巡航和着陆。
1.1.5 自动控制（自动驾驶仪）
自动控制的基本思想是用自动驾驶仪代替人工驾驶。自动驾驶仪只是一台计算机，其输入为空速、飞机加速度和飞机姿态角（横滚角、俯仰角和偏航角）。自动驾驶仪从安装在飞机外部的皮托管获得空速测量值，从安装在飞机上的三轴加速度计获得加速度，从安装在飞机上的三轴陀螺仪获得角速率。使用这些测量值，自动驾驶仪连续（通常每毫秒）确定方向舵、升降舵和副翼应处于何种角度，以保持飞机处于正确的姿态以及油门值，从而使发动机推力能够保持所需的空速。自动驾驶仪向操纵面发送所需的操纵面位置，电动机将操纵面移动到这些命令值所确定的位置。自动驾驶仪还向发动机发送所需的油门值，其中另一个电动机将油门保持在该值。这种自动驾驶仪在阵风作用在飞机上时仍能使飞机保持水平飞行。