第三章-飞行空气动力学

第三章-飞行空气动力学飞行空气动力学介绍作用于飞机上的力的相互关系和由相关力产生的效应。作用于飞机的力至少在某些方面，飞行中飞行员做的多好取决于计划和对动力使用的协调以及为改变推力，阻力，升力和重力的飞行控制能力。飞行员必须控制的是这些力之间的平衡。对这些力和控制他们的方法的理解越好，飞行员执行时的技能就更好。下面定义和平直飞行(未加速的飞行)相关的力。推力是由发动机或者螺旋桨产生的向前力量。它和阻力相反。作为一个通用规则，纵轴上的力是成对作用的。然而在后面的解释中也不总是这样的情况。阻力是向后的阻力，由机翼和机身以及其他突出的部分对气流的破坏而产生。阻力和推力相反，和气流相对机身的方向并行。重力由机身自己的负荷，乘客，燃油，以及货物或者行礼组成。由于地球引力导致重量向下压飞机。和升力相反，它垂直向下地作用于飞机的重心位置。升力和向下的重力相反，它由作用于机翼的气流动力学效果产生。它垂直向上的作用于机翼的升力中心。在稳定的飞行中，这些相反作用的力的总和等于零。在稳定直飞中没有不平衡的力(牛顿第三定律)。无论水平飞行还是爬升或者下降这都是对的。也不等于说四个力总是相等的。这仅仅是说成对的反作用力大小相等，因此各自抵消对方的效果。这点经常被忽视，而导致四个力之间的关系经常被错误的解释或阐明。例如，考虑下一页的图3－1。在上一幅图中的推力，阻力，升力和重力四个力矢量大小相等。象下一幅图显示的通常解释说明(不保证推力和阻力就不等于重力和升力)推力等于阻力，升力等于重力。必须理解这个基本正确的表述，否则可能误解。一定要明白在直线的，水平的，非加速飞行状态中，相反作用的升力和重力是相等的，但是它们也大于相反作用的推力和阻力。简而言之，非加速的飞行状态下是推力和阻力大小相等，而不是说推力和阻力的大小和升力重力相等，基本上重力比推力更大。必须强调的是，这是在稳定飞行中的力平衡关系。总结如下：向上力的总和等于向下力的总和向前力的总和等于向后力的总和对旧的“推力等于阻力，升力等于重力”公式的提炼考虑了这样的事实，在爬升中，推力的一部分方向向上，表现为升力，重力的一部分方向向后，表现为阻力。在滑翔中，重力矢量的一部分方向向前，因此表现为推力。换句话说，在飞机航迹不水平的任何时刻，升力，重力，推力和阻力每一个都会分解为两个分力。如图3－2对前面概念的讨论在航空学课本或者手册中经常被忽略。原因不是因为他们不重要，而是因为由于忽略这个讨论，谈到作用于飞行中飞机的航空动力学作用力的主要思想就可以用最基本的要素来表达，而不用考虑航空动力学者的专业性。就事实而言，仅仅考虑水平飞行和稳定状态中的正常爬升和下降，机翼升力确实是重要的向上的力而重力是重要的向下的力的表述仍然是正确的。经常的，在解释作用于飞机的力时遇到的大量困难在很大程度上是语言和其含义的问题。例如，飞行员长期认为在飞机爬上是因为升力大于重力。如果他仅仅根据机翼升力考虑的话这是不对的。然而，如果考虑所有向上力的合力导致升力大于重力，那么这就是对的。但是当提到“升力推力和重力阻力”时，为这些力确立的前面的定义就不再有效，使问题变的复杂。语言表述的如此不严密为大量的争论提供了借口，这些争论集中于基本原理的精练。尽管已经定义了作用于飞机上的力，飞行员如何使用他们来进行受控的飞行就需要对他们进行深入详细的讨论。推力飞机开始移动前，必须施加推力。飞机持续移动，速度增加，直到推力和阻力相等。为了维持恒定的空速，就像升力和重力必须保持相等以维持稳定的飞行高度一样，推力和阻力必须保持相等。假设在平直飞行中，引擎功率降低，推力就会下降，飞机速度就减慢。只要推力小于阻力，飞机就会一直减速，知道它的空速不足以支持飞行。同样的，如果引擎的动力增加，推力比阻力大，空速就增加。只要推力一直比阻力大，飞机就一直加速。当阻力等于推力时，飞机飞行在恒定的空速。平直飞行可以维持的速度可以很慢也可以很快。如果飞机要保持水平飞行，飞行员必须在所有飞行状态协调迎角和推力。概略的，这些飞行状态可以按类分为三组，低速飞行，巡航飞行和高速飞行。在低空速时，要维持升力和重力的平衡，迎角必须相对较高以增加升力。如图3－3，如果推力降低空速增加，升力变得小于重力，飞机就会开始下降。要维持水平飞行，飞行员可以增加一定量的迎角，它会再次让升力等于飞机的重力，而飞机会飞的更慢点，如果飞行员适当的协调了推力和迎角也可以保持水平飞行。低速状态的平直飞行提供了需要关注的和力平衡有关的条件，因为飞机处于高机头的姿态，有一个垂直的推力分量帮助支持飞机。首先，可以预期机翼载荷趋于减少。大多数飞行员知道相比发动机停止时飞机在有动力时速度较低会失速，螺旋桨引起的气流通过机翼时也会恶化这种情况。然而，如果分析仅仅限于通常定义的这四个力，你可以说，平直低速飞行时推力等于阻力，升力等于重力。在平直飞行中，推力增加时，空速增加，必须要降低迎角。如果协调好了变化，飞机仍然保持平直飞行，但是推力和迎角之间建立了合适的关系后飞行速度会变高。如果推力增加时迎角没有降低，飞机会爬升。但是降低迎角可以修正升力，保持它等于重力，如果做的恰好，飞机仍然保持平飞。轻微的负迎角甚至可以出现在非常高速度的平直飞行中。那么就很明显，可以以失速迎角和高速时的相对较小负迎角之间的任意迎角进行平飞。阻力飞行中的阻力有两个基本类型：寄生阻力和诱导阻力。第一个称为寄生的是因为它永远对飞行的帮助是无用的，第二个是由机翼产生升力的结果所导致的。寄生阻力有两个基本元素：形阻力，来自机身对气流的破坏，另外就是外壳的摩擦阻力。对于寄生阻力的两个因素，在设计飞机时容易降低形阻力。一般的，一个物体越是流线型的就越容易降低寄生阻力的形阻力。外壳摩擦力是最难降低的寄生阻力类型。没有完全光滑的表面。甚至是机械加工的表面，通过放大来检测的话，仍然可以看到粗糙的不平坦的外观。这种粗糙的表面会使表面的空气流线型弯曲，对平滑气流产生阻力。通过使用光滑的磨平的表面，和去掉突出的铆钉头，粗糙和其他的不规则物来最小化外壳摩擦力。设计飞机时必须要增加另一个对寄生阻力的考虑。这个阻力复合了形阻力效应和外壳摩擦，称为所谓的干涉阻力。如果两个物体靠近放置，产生的合成紊乱会比单个测试时大50％到200％。形阻力，外壳摩擦力和干涉阻力这三个阻力都要被计算以确定一个飞机的寄生阻力。寄生阻力中一个物体的外形是一个很大的因素。然而，说道寄生阻力时指示空速也是一个同样重要的因素。一个物体的外形阻力保持在一个相对气流固定的位置，大约以速度的平方成正比增加；这样，空速增加为原来的两倍，那么阻力就会变成原来的四倍，空速增加为三倍的话阻力也就增加为九倍。但是，这个关系只在相当的低音速时维持很好。在某些更高速度，外形阻力的增加会随速度而变的突然很快。第二个基本的阻力类型是诱导阻力。以机械运动方式工作的系统没有一个可以达到100%的效率，这是一个确定的物理事实。这就意味着无论什么特性的系统，总是以系统中消耗某些额外的功来获得需要的功。系统越高效，损失就越小。在平飞过程中，机翼的空气动力学特性产生要求的升力，但是这只能通过某种代价才能获得。这种代价的名字就叫诱导阻力。诱导阻力是内在的，在机翼产生升力的任何时刻，而事实上，这种阻力是升力的产物中不可分离的。继而，只要有升力就会有这种力。机翼通过利用三种气流的能量产生升力。无论什么时候机翼产生升力，机翼下表面的压力总是大于机翼上表面的压力。结果，机翼下方的高压区空气有向机翼上方的低压去流动的趋势。在机翼的翼尖附近，这些压力有区域相等的趋势，产生一个从下表面到机翼上表面的向外的侧面气流。这个侧向气流给予翼尖的空气和机翼后面的尾流一个旋转速度。因此，翼尖的气流会变成随着机翼运动的两个涡流轨迹。从尾部看飞机时，右边翼尖的涡流逆时针旋转，而左边翼尖的涡流顺时针旋转。如图3－4记住这些涡流的旋转方向，可以看到他们在翼尖之外引入一个向上的气流，在机翼尾缘之后产生一个向下的气流。这个诱导的下洗气流和产生升力所需的下洗气流没有关系。实际上是诱导阻力的来源。涡流和后面的机翼上净气流分量越大越强，诱导阻力效应也就越强。这个机翼顶部的下洗流在翼尖处有相同的使向后的升力矢量弯曲的效果，因此升力和相对气流的蒸饺稍微向后，产生一个后向升力分量。这就是诱导阻力。要记住为了在机翼上表面产生较大的负压力，机翼可以倾斜获得更大的迎角；如果不对称机翼的迎角为零，也就没有压力差，继而没有下洗分量，因此也就没有诱导阻力。无论如何，只要迎角增加，诱导阻力相应的增加。换一种说法就是，较低的空速时就要求更大的迎角来产生等于飞机重量的升力，因而诱导阻力也就更大。总诱导阻力和空速的平方成反比变化关系。从前面的讨论知道寄生阻力随空速的平方增加，诱导阻力随空速的平方反比变化。当空速降低到接近失速速度时，总阻力变的更大，主要由于诱导阻力的快速升高。类似的，当空速达到飞机的终速时，因为寄生阻力的飞速增加使得总阻力再次快速增加。从图3－5可以看到，在某些空速上，总阻力处于最大值。在计算最大续航力和航程时这是非常重要的；阻力最小时，克服阻力所需要的动力也是最小的。为理解飞行中飞机的升力和阻力的影响，需要结合考虑两者以及升阻比L/D(升力/阻力)。对于稳定的非加速状态的飞机，用不同空速时升力和阻力的数据，可以计算每一具体迎角时的升力系数CL和阻力系数CD。升阻比对迎角的结果图显示升阻比增加到一最大值，在较高的升力系数和迎角阶段开始下降，如图3－6。注意最大升阻比(L/DMax)出现在一个特定的迎角和升力系数处。如果飞机在最大升阻比处稳定飞行，总阻力为最小。任何比最大升阻比(L/DMax)处更大或者更小的迎角，升阻比降低继而在给定飞机升力时总阻力增加。重心(CG)的位置在每一具体飞机的总体设计阶段确定。设计者要确定压力中心(CP)会移动多大距离。他们然后把重心朝相应的飞行速度下的压力中心前面固定，这是为了提供足够的恢复运动以保持飞行平衡。一架飞机的配置也对升阻比有很大的影响。高性能滑翔机会有极高的升阻比，超音速飞机在亚音速飞行时好像升阻比低，那可是超音速飞行(高马赫数时高升阻比)需要的飞机配置导致这样的情况。重力重力是趋向把所有物体朝地球中心拽的拉力。重心可以看成是飞机的所有重量都集中于所在的一点。如果飞机的重心恰好得到支持，飞机就会平衡在任何姿态。也会注意到重心占飞机的主导重要性，因为它的位置对稳定性有极大的影响。重心的位置通过每个飞机的总体设计来确定。设计者要确定压力中心(CP)会移动多大距离。他们然后把重心朝相应的飞行速度下的压力中心前面固定，这是为了提供足够的恢复运动以保持飞行平衡。重力和升力有明确的关系，推力对应于拉力。这个关系简单，但是对于理解飞行动力学很重要。升力是作用于机翼上的向上的力，和相对风方向垂直。需要的升力是用来克服飞机的重力(由作用于飞机物质的地球引力导致)。这个重力通过飞机的重心向下作用。在稳定的平飞中，此时升力大小等于重力，飞机处于平衡状态，高度不增加也减少。如果升力变得小于重力，飞机将会降低高度。当升力大于重力时，飞机飞行高度增加。升力飞行员可以控制升力。随时控制轮子向前或者向后一点，迎角就会改变。当迎角增加时，升力增加(假设其他因素不变)。当飞机到达最大迎角时，升力开始快速变小。这就是失速迎角，或者叫紊流点。在继续深入讨论升力和如何控制它之前，必须先说一下速度。机翼的外形不会有效，除非它持续不断的冲击新的空气。飞机若要保持飞行，它必须持续移动。升力和飞机速度成相应的比例。例如，如果迎角和其他因素不变的话，以200节速度飞行的飞机所得的升力是它在100节速度飞行时升力的四倍。实际上，如果迎角增加，飞机就不能保持继续保持同一迎角而高度不变的平飞；升力会增加，结果升力增加使飞机爬升。因此，为了维持升力和重力的平衡，和为了保持飞机平直的平衡飞行状态，只要速度增加，升力必须减小。这通常是通过减小迎角来实现的，如降低机头。相反的，当飞机速度减慢时，降低的速度要求增加迎角来维持足够的升力以保持飞行。当然，如果要避免失速的话，迎角可以增加的范围是有限制的。所以，如果所有