飞行器飞行原理

第二章飞行器飞行原理《航空航天概论》厦门大学航空航天学院2.1飞行环境飞行环境包括大气环境和空间环境2.1.1大气环境1.对流层2.平流层3.中间层（高空对流层）4.热层5.散逸层（外大气层）航空器的飞行环境主要是对流层和平流层。航空器飞行环境臭氧层吸收太阳紫外线地面辐射热量平流层热量99.9%大气质量90%大气质量太阳短波辐射2000～3000公里大气外层顶界国际空间站平均高度360公里哈勃太空望远镜平均轨道高度569公里2.1飞行环境2.1.1大气的物理性质1.大气的状态由参数确定，其关系由状态方程表示：2.连续性3.黏性大气相邻流动层间产生的摩擦力。不同的流体黏性不同，黏性大小用内摩擦系数衡量。流体黏性和温度有关，气体温度升高，黏性增大。液体相反。4.可压缩性当气体的压强改变时，其密度和体积也改变，为气体可压缩性。5.声速振动的声源在介质中传播时产生的疏密波。空气中约为340m/s。介质可压缩性越大，声速越小。pRTpT，，2.1飞行环境6.国际标准大气飞行器飞行性能和大气物理状态有关，而大气物理状态与其地理位置、季节和高度相关。为对飞行器的性能进行研究和对比，目前我国采用的国际标准大气。大气被看成完全气体，服从气体状态方程；以海平面高度为零高度。在海平面状态为：气温15度，压强为一个标准大气压，密度为1.225kg/m2，声速为341m/s。2.1飞行环境7.空间环境真空、电磁辐射、高能粒子辐射、等离子体和微流星体组成的飞行环境，是航天器的主要环境。地球空间环境、行星际空间环境和恒星际空间环境2.2气体流动基本规律气体流过物体时其物理量的变化规律与作用在物体上的空气动力有密切关系。2.2.1相对运动原理飞机产生的空气动力与飞机和空气间的相对运动速度有很大关系。空气相对飞机的运动称为相对气流。相对气流的方向与飞机运动方向相反。只要相对气流速度相同，产生的空气动力也就相等。将飞机的飞行转换为空气的流动，使空气动力问题的研究得到简化。2.2气体流动基本规律1.流体流动的连续性定理可压缩流体沿管道流动的连续性方程不可压缩流体沿管道流动的连续性方程1122vAvA常数111222vAvA常数2.2.2.连续性定理和伯努力定理不可压缩流体流过管道时，流速与截面面积成反比2.2气体流动基本规律2.伯努利定理（1738年）伯努利定理是能量守恒定律在流体中的应用。伯努利定理描述了流体在流动过程中流体压强和速度之间的流动关系。丹尼尔·伯努利不可压缩理想流体的伯努力方程连续性定理和伯努力方程是分析和研究飞机上空气动力产生的物理原因及其变化规律的基本定理。2.2气体流动基本规律2.2气体流动基本规律3.低速气流和高速气流的流动特点（1）低速气流特点流动过程中近似认为不可压缩。管道收缩速度增大，静压减小。（2）高速气流特点高速飞行中，气流速度变化引起空气密度发生变化，从而引起空气动力发生变化，必须考虑空气的可压缩性。特别对于高速气流。空气可压缩性和空气密度和施加的空气压力有关。空气的密度和声速有关，施加于空气的压力与在空气中运动的物体速度有关，速度越大，施加给空气的压力越大。衡量空气被压缩的程度用马赫数（Ma）表示：vMaa0.4;0.40.850.851.31.35.05.0MaMaMaMaMa低速：亚声速：；跨声速：超声速：；高超声速：2.2气体流动基本规律超声速气流在变截面管道中流动情况和低速气流相反。收缩管道超声速气流减速、增压；扩张形管道使超声速气流增速、减压。原因：截面积变化引起的密度的变化比截面积变化引起速度的变化快得多，密度变化占主导地位。总之，在亚声速气流中，流速增大，管道截面面积必然减小；而在超声速气流中，随着流速增大，，管道截面面积必然增大。要使气流由亚声速加速到超声速，除了沿气流方向要有一定的压力差外，还应具有一定的管道形状，即先收缩后扩张的拉瓦尔管形状。2.2气体流动基本规律2.2气体流动基本规律2.3飞机飞行原理作用在飞机上的空气动力包括升力和阻力。2.3.1平板上的空气动力1.平板剖面与相对气流夹角为零无垂直于气流的升力。2.平板剖面与相对气流夹角为90度2.3飞机飞行原理3.平板剖面与相对气流速度成一定夹角2.3飞机飞行原理2.3.2机翼升力的产生和增升装置翼型的定义：2.3飞机飞行原理翼型按速度分：翼型按形状分：2.3飞机飞行原理翼型几何参数：翼弦：前缘和后缘之间的连线。迎角：翼弦与相对气流速度之间的夹角。2.3飞机飞行原理1.机翼升力的产生空气动力作用点前缘后缘翼弦2.3飞机飞行原理在一定范围内，迎角大，升力大。当迎角达到一定程度，气流会从机翼前缘开始分离，尾部出现很大的涡流区，致使升力突然下降，阻力迅速增大，出现失速。临界迎角：失速刚出现时的迎角。飞机不应以接近或大于临界迎角的状态飞行。升力的大小与翼型形状和迎角大小有很大关系。不对称的流线型翼型在迎角为零时仍可产生升力。2.影响飞机升力的因素（1）机翼面积的影响机翼机翼面积应包括同机翼相连的部分面积。升力与机翼面积成正比。（2）相对速度的影响速度越大，空气动力越大，机翼上产生的升力也越大。升力与相对速度的平方成正比。（3）空气密度的影响升力大小与空气密度成正比。（4）机翼剖面形状和迎角的影响机翼剖面形状和迎角不同，产生的升力也不同，其影响通过升力系数体现。升力系数起初随迎角增大而增大，但当迎角达到一定值后，会骤降，出现失速。综合各项因素，升力公式为：212yYCvS2.3飞机飞行原理3.增升装置（1）改变机翼剖面形状，增大机翼弯度；（2）增大机翼面积；（3）改变气流动的流动状态，控制机翼上的附面层，延缓气流分离；飞机的增升装置通常安装在机翼的前缘和后缘部位。类型：前缘襟翼，后缘襟翼，前缘缝翼；控制附面层。2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理简单后缘襟翼缺点：当它向下偏转时，虽然能够增大上翼面气流的流速，从而增大升力系数，但同时也使得机翼前缘处气流的局部迎角增大，当飞机以大迎角飞行时，容易导致机翼前缘上部发生局部的气流分离，使飞机的性能变坏。机翼升力的产生和增升装置机翼升力的产生和增升装置2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理控制附面层增升装置原理：通过延缓附面层分离，起到增升作用。“鹞”式垂直起降飞机和F－4、米格－21轻型战斗机使用了喷气襟翼。2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理A.涡流发生器：涡流发生器是以某一安装角垂直地安装在机体表面上的小展弦比小机翼，所以它在迎面气流中和常规机翼一样能产生翼尖涡，但是由于其展弦比小，因此翼尖涡的强度相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后，就把能量传递给了边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不致分离。作用：将外界气流的能量不断输入附面层，增加附面层流动速度，推迟气流分离。2.3飞机飞行原理3.涡流发生器和翼刀B.翼刀装置：一般的平直翼和后掠翼，机翼上表面的气流会自动向翼梢流动，相应的，附面层也会逐渐向翼梢堆积。这些气流最终会在翼梢分离，从而降低飞机的升力。此外，气流在翼梢的分离会造成很大的滚转力矩，容易使飞机进入尾旋。这种状况在大后掠角机翼上尤为明显。若在机翼的上表面，沿着翼弦的方向放置具有一定高度的挡板，就可以阻碍上翼面的附面层向翼梢移动，从而阻止或者延缓分离的发生。作用：后掠翼飞机减小翼梢涡流和附面层厚度。2.3飞机飞行原理2.3.3飞机阻力的产生和减阻措施飞机机翼产生的空气动力包括升力和气动阻力。低速飞机受到的阻力分为：摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、和干扰阻力。1.摩擦阻力2.3飞机飞行原理2.压差阻力2.3飞机飞行原理可通过增大展弦比、适当平面形状、增加翼梢小翼等来减小诱导阻力。3.诱导阻力2.3飞机飞行原理4.干扰阻力2.3飞机飞行原理2.3.4高速飞行空气动力特点1.激波和激波阻力（波阻）不同飞行速度下声音（弱扰动波）的传播2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理高速飞行阻力特点2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理超声速飞行声爆2.3飞机飞行原理超声速飞行热障2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理美国SR-71的机体结构的93%采用钛合金越过热障，达到3.3倍音速。航空气器的防热方法：1.采用耐高温的新材料，如钛合金、不锈钢或复合材料来制造飞机的重要受力构件和蒙皮；2.用隔热层来保护机内设备和人员；3.采用冷却液冷却结构内表面。2.3飞机飞行原理应用：烧蚀法适用于不重复使用的飞船、卫星等。材料：石墨、陶瓷等。高温下的热解和相变：固液，固气，液气。航天器的防热方法：2.3飞机飞行原理可重复使用的放热材料用于像航天飞机类似的可重复使用的航天器的防热。根据航天器表面不同温度的区域，采用相应的可重复使用的防热材料。例如：机身头部、机翼前缘温度最高，采用增强碳碳复合材料，温度可耐受1593度；机身、机翼下表面前部和垂尾前缘温度高，可采用防热隔热陶瓷材料；机身、机翼上表面前部和垂尾前缘气动加热不是特别严重处，可采用防热隔热的陶瓷瓦材料；机身中后部两侧和有效载荷舱门处，温度相对较低（约350度），可采用柔性的表面隔热材料；对于温度最高的区域，采用热管冷却和强制循环冷却和发汗冷却等。2.3.5超声速飞机的气动外形超声速飞机的气动外形，广义上讲是指飞机主要部件的数量以及他们之间安排和配置。不同的布局型式对飞机的飞行性能、稳定性和操纵性有重大影响。2.3飞机飞行原理1.飞机气动布局机翼几何参数2.飞机的几何外形和参数机翼平面形状主要参数：翼展、翼弦、前缘后掠角等。影响飞机气动主要参数：前缘后掠角、展弦比、梢根比、翼型相对厚度。2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理不同的翼剖面形状2.3飞机飞行原理3.超声速飞机的气动外形2.3飞机飞行原理A.超声速飞机的翼型特点（a）双弧形；（b）棱形；（c）楔形；（d）双菱形2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理B.超声速飞机的机翼平面形状和布局形式2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理B-1Lancer轰炸机F-14Tomcat舰载机米格-232.3飞机飞行原理边条涡超声速飞机的气动外形2.3飞机飞行原理G鸭翼升力机翼升力G机翼升力尾翼升力鸭翼产生的脱体漩涡2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理2.3飞机飞行原理（8）前掠翼机翼前、后缘向前伸展（前掠）的飞机。它的梢弦在根弦的前面，左右翼俯视投影形成一个V字。前掠翼是和后掠翼同时提出的，两者推迟激波产生的原理是完全相同的。优点：机翼和机身更好的连接；亚音速机动能力好；升力大；可控性好。缺点：在气动发散问题：即当速度和仰角达到一定值时，很难保证飞机的静稳定性。仰角越大，机翼的弯曲变形越大，直至结构被破坏。3.超声速飞机和低、亚声速飞机外形区别2.3飞机飞行原理2.3.6风洞的功用和典型构造飞机的升力和阻力对飞机性能有很大影响。良好的气动特性：提高升力，减小阻力。获得升力和阻力变化特性：科学计算和风洞试验。风洞是一种利用人造气流来进行飞机空气动力试验的设备。风洞试验：（1）几何相似，即飞机和模型之间的；（2）运动相似，即模型各部分气流速度大小与真实飞机对应部分成同一比例，流速方向相同；气流扰动和实际情况相同；（3）动力相似，作用与模型上的空气动力（升力和阻力）和作用于真实飞机上的空气动力大小成比例，且方向相同。为保证“动力相似”，必须保证实验中模型和真实飞机飞行时的雷诺数相同。试验飞机模型尺寸比真实飞机小得多，风洞风速也比真实飞行速度小很多，导致模型摩擦阻力在总阻力中所占比例比真实情况大得多。2.3.6风洞的功用和典型构造雷诺数（Reynoldsnumber）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数雷诺数Revd其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大意味着惯性力影响越显著。例如雾珠的降落或润滑膜内的流动过程，粘性效