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航空航天概论飞行器动力工程专业教研室ZZIA授课教师：马震宇课程内容与课时安排（公选课）第1章航空和航天的基本知识2h第2章飞行器的分类、功用与原理6h第3章世界航空和航天事业发展概况3h第4章我国航空工业与航天工业概况3h第5章航空和航天技术未来发展趋势2h合计（总课时）16h（第1～8周）第2章飞行器的分类、功用与原理按一般的分法，飞行器分为三种类型：•★航空器★航天器★火箭/导弹(Aircraft)(Spacecraft)(Rocket/Missile)•（通常可重复使用）（一次使用）第2章一、航空器航空航空航空航空航空第2章1轻于空气的航空器◎气球—一般不装推进动力装置，（近）球形的形态，气囊（主体）内充比空气密度小的轻气体介质以产生静浮力（阿基米德定理），主体下有吊舱或吊篮（载人或仪器设备），姿态无控的飞行。·按系留方式分为：自由气球，有绳气球；·按充气介质温度分为：热气球，冷气球；·按充气介质属性分为：氢气球、氦气球等。用途—气象探测、对地观测、通讯中继、体育、休闲观光，以及军事侦察。现主要为民用。第2章•◎飞艇—一般有推进装置（螺旋桨发动机），流线形的外形（圆头瘦尾）以减少航行空气阻力，内充比空气密度小的轻气体介质，姿态可控飞行（升降和航行）。组成—艇体、尾面（安定面和操纵面）、吊舱、推进装置等。•用途：海上巡逻、反潜、兵力空运及物资运输。现代主要为民用。第2章2重于空气的航空器•—有翼航空器，主要靠与空气相对、快速运动时，翼所产生的运动升力而升空升高，空中飞行原理与轻于空气的航空器（靠静浮力）不同。按翼与主体的连接形式分为：☆（固）定翼航空器☆动翼航空器第2章2.1固定翼航空器2.1.1飞机•—由推进装置（发动机）产生前进推力或拉力，飞机因快速运动而产生巨大的空气升力（主要由机翼产生），从而克服阻力和重力在大气层内航行工作。螺旋桨发动机飞机第2章大的机翼与翼上发动机第2章（1）飞机的分类◎按用途划分见表：第2章•◎按巡航飞行速度划分为：•低速飞机（Lowspeed,M≤0.4）；•亚音速飞机（Subsonic,0.4M≤0.85）；•超音速飞机(Supersonic,1.3M≤5.0）；•高超音速飞机（Hypersonic,M超过5）。•飞机一般不在跨音速范围(Transonic,0.85M≤1.3)巡航，该范围飞机气动力变化剧烈,易出现抖振、喘振等。馬赫數(MachNumber)定义：M=V/a=飞行速度/音速第2章◎按动力装置类型主要分为：螺旋桨发动机飞机喷气推进发动机飞机第2章（2）升力产生的基本原理先介绍流体（气体或液体）流动过程，流体各点物理参数的变化规律，变化均遵循基本的物理定律（能量守恒定律、牛顿定律等）。□运动的相对性根据物理相对性原理，飞机在静止空气中飞行所受到的空气动力，与飞机静止不动、空气以同样的速度反方向吹来，两者作用力效果是一样的（存在动力相似）。该原理广泛用于飞行器、航海和交通等领域，如风洞实验即是基于此原理。第2章运动转换风洞实验第2章相对运动—产生流体动力（动压、升力、阻力等）无运动—存在静力（浮力、静压力）根据动力相似性，可以将飞机做成几何相似的小尺度（缩比）模型，气流速度在一定的范围内可以低于实际飞行速度，从模型风洞试验测力结果，可以推算出实际飞行时作用于飞机上的空气动力。地面模拟实验→推测实际飞行气动力连接风洞实验shipin(16h)\FENGDONG.MPG视频第2章□流动连续定理•当流体从一个变截面管道内稳定连续流过时，单位时间内经过管道任一截面的流体质量（流量）均相同，即符合质量守恒定律：（可压缩流体运动连续性方程）constvA当密度保持不变（低速流动），即不可压流体时：例子：小胡同风大，窄河道水流快。constvA第2章□伯努利方程—是能量守恒定律在流动中的具体应用，主要描述流体压强与流速之间的定量数学关系。第2章A-A面：S大，V小，P高（液面高）；C-C面：S小，V大，P小（液面低）。连接shipin(16h)\bonuliFC.wmv演示第2章常数（动压）静压）221(vp方程成立条件：不可压缩、理想流体，稳定（定常）流动，与外界无能量交换动压表示因运动速度存在而造成的附加压力，也称为速度头，单位也是压强单位（Pa).从方程可知：凡是截面积小的地方，流速就大，而压强小；反之，流速小，压强大。举例：两船并肩航时会自动靠拢;TRAIN&MAN.第2章□翼型升力的产生根据连续方程和伯努利方程，下面分析飞机低速飞行时，机翼上升力是如何产生的。翼剖面（翼型）弦线—前缘到后缘的连线前缘后缘第2章迎角（攻角）α•飞行速度（飞机质心相对远前方空气的速度）在飞机参考平面（一般为飞机纵对称面）上的投影与固定基准线（一般选机翼翼根弦线或机身轴线）之间的夹角，称为迎角（攻角），用α表示。当飞行速度沿机体坐标系竖轴的分量为正时，迎角为正，反之为负。第2章•如果按照相对气流（未受飞机扰动影响的前方气流）方向来定义，则相对气流速度（未受飞机影响的空气相对飞机质心的速度）在飞机参考平面上的投影与固定基线之间的夹角就是迎角，且当相对速度沿机体坐标系竖轴的分量为负时，迎角为正。第2章迹线流体“微团”在流域内的运动轨迹。第2章•流线流场中的一条曲线，线上各点的切向和该点的速度方向相同。如果流动是非定常的，由于速度矢量的大小和方向随时间变化而变化，所以不同时刻的流线形式也不相同。第2章流shipin(16h)\流线.wmv线一般地说，流线和迹线是不重合的。对定常流,流场中给定点的速度矢量的大小和方向都是不随时间变化。因此经过流场中同一点的不同微元，其迹线相同；还有，迹线和流线也重合。因此在定常流动中，流线和迹线是没有任何区别，它们是相同的空间曲线。第2章连shipin(16h)\有攻角对称翼型流谱.wmv接视频第2章机翼翼型周围空气流线谱如图示（SP)。由于设计的翼型上下弧度是不对称的，上翼面的弧度要大于下翼面，因此在机翼与空气相对运动时，流过上表面的空气在同一时间内走过的路程比流过下表面的空气的路程远，所以上表面的空气的相对流动速度比下表面空气的快。根据伯努利定理—“流体对流经物体所产生的压力与流体的相对速度成反比”，因此上表面的空气施加给翼型的压力小于下表面的，这就产生了压力差，且合力是向上的，于是产生了翼型升力。当翼型上的压强差体现在整个机翼上的压力差的合力分量Y（机翼升力）比飞机重量大时，飞机就可飞上天空了。自然产生升力的同时也出现了阻力。升力R－气动合力，Y－升力，D－阻力第2章SvCSqCYyy221产生升力的条件：有相对流速V，一定的迎角α升力表达式：第2章升力Y与速度的平方成正比，即随速度的增大，升力增大的非常快。那么，怎样使空气快速流过机翼呢？这就需要飞机有一个较大的相对于空气的运动速度以及适当的迎角。当飞机在跑道上受发动机推力作用逐渐加速滑跑时，当速度达到一定的值时，流过机翼上的气流产生的升力便超过了飞机的重量，此时飞机即开始离开地面而升向空中。第2章•ZZIA飞机以相对运动的升力（举力）克服重力，以发动机推力克服空气阻力,在空中进行巡航飞行和保持平衡。现代大型运输机的重量可达300T左右，依靠产生的升力照样能把它托举起来，在空中稳定地航行。第2章（3）高速飞行时的升力和流动特点当飞机航行速度从低速继续加速增大时，虽然飞行升力随着迅速增大，但到了开始接近音速飞行时，就会发现飞机的阻力突然大增，并出现机体抖振等不稳定等现象，一时成为高速飞机发展的巨大障碍，历史上称该现象为“声障（音障）”。经研究发现，这是激波阻力（波阻）导致的结果。后来研究解决了该问题，突破了“声障”，研制出了高速、超音速飞机。第2章根据前面讲的低速飞行特点，此时气流流动为低速流动，机翼周围的空气由于压力p变化所引起的密度改变很小，可认为密度ρ在各点均是相同的，即低速流动时气流密度保持不变（ρ=const)，为不可压缩流（dρ/dp=0)。但在飞机高速飞行时或气体高速流动时(M＞0.4），气流各处的密度均不一样，p、v、ρ、T参数均在变化（用欧拉方程来描述），此时气体的压缩性必须考虑（ρ≠const）,空气流变成为可压缩流（dρ/dp≠0)。第2章（a)声波波及周围空间（b)声波波及右边半个空间（c)声波波在右边马赫锥内传播飞行中声波的传播过程第2章随着气流速度v的增加，当其接近或大于音速时，气流将产生强烈的压缩，出现激波和膨胀波，压力、密度及温度会发生更加明显的变化。（连接shipin(16h)\尖楔激波与膨胀波.wmv视频）Shockwave第2章在亚音速气流中，v↑，A↓;而在超音速气流中，v↑，A↑。那么，要使气流由亚音速流动→超音速流动，除沿流向施加一定的压力差外，还必须将流动管道设计成特定形状：先收缩→后扩张，即LAVAL喷管形状。第2章欲使做超音速流动的气流减速变成为亚音速、低速流动，往往要通过“激波”的作用来做突然的减速，激波面前、后气流参数发生突变，流动的管道截面可能变细、也可保持不变。比如，超音速风洞实验段后接一个收缩段，就是使超音速气流进行减速和增压用的。第2章（3）飞机的构成由机体结构与功能系统两大系统构成。第2章□机体结构组成与各部件作用机翼—副翼—襟翼—机身—尾翼—起落架等第2章•·机翼的构造形式:主要有三种—蒙皮骨架式、整体壁板式、夹层式.第2章第2章第2章机翼的功用：提供足够的升力，与尾翼一起形成良好的稳定性和操纵性，机翼内腔可装载燃油、设备、武器等，机翼外部可安装起落架、发动机和悬挂导弹、副油箱等外挂设备。第2章•机翼上副翼的作用：副翼是飞机的主操纵面之一，位于机翼后缘的外侧（远离机身），一对副翼总是以相反的方向偏转，使一侧机翼的升力增加、而另一侧机翼的升力减小，从而使飞机产生滚转控制力矩。第2章机翼上前缘缝翼和后缘襟翼的作用：都是增加飞机起飞降落时的升力的装置，以缩短飞机的起降滑跑距离。第2章·尾翼的组成和作用：由垂直尾翼和水平尾翼组成。垂直尾翼包括垂直安定面和方向舵，提供飞机航行时方向（航向）稳定性和操纵性。水平尾翼包括水平安定面和升降舵，提供飞机飞行中俯仰稳定性和操纵性。机翼上扰流板的作用：铰接于机翼上表面的金属薄板（一般与襟翼临近）。打开时，分离上翼面的气流，使机翼上的升力下降、阻力增加。在空中，扰流板可协助副翼进行飞机滚转控制；在地面，扰流板可起到减速板的作用。第2章第2章·机身的基本构造与作用：装载人员和货物、设备、燃油等物品，同时固定机翼、尾翼、起落架等部件使之成为一个整体。机身截面理论上以圆形最好，但为满足总体要求（如安装发动机、保证驾驶员良好的视野等），往往要采用椭圆形、卵形及其它形状。结构主要分为蒙皮骨架式、整体壁板式和夹层式三种。第2章第2章•·起落装置的组成和功用：主要有支柱、机轮、减震器和收放机构等组成。•作用是提供飞机起飞、着陆和地面滑跑滑行、机库移动停放使用，具有吸收着陆冲击能量、减少冲击载荷、改善滑行和起飞迎角的功能。•现代飞机的起落架都是可以收放的，可以大大减小飞机飞行阻力，同时有利于飞机姿态的控制。大型飞机的起飞重量可达300T，为减少机轮对跑道局部巨大的压力，同时为减少收藏起落架的空间，一个起落架上可安装两个以上的机轮，甚至可采用4到8个机轮。第2章起落装置的布置必须保证全面地满足已经设计确定的飞机各项几何参数及与飞机重心的相对位置关系等。第2章•第二次课课后作业•1飞行器通常分为哪几类？•2轻于空气的航空器升空靠什么力？•重于空气的航空器升空靠什么力？•3飞行速度或流动速度分为哪几种范围，所对应的•马赫数范围？马赫数的定义？•4根据流体低速流动的连续方程和伯努利方程，当•流动截面变化时，压力和速度如何变化？•5机翼产生升力的基本条件？•6机翼的构成与作用？