飞机的飞行原理

飞机的飞行原理 飞机的飞行原理通俗来讲是研究飞机怎样飞起来的。作为民航从业人员，这是必须掌握的知识之一。飞机能够翱翔于蓝天，主要是安装于机身两侧的机翼产生升力的结果。在研究空气动力在机翼上产生升力的过程中，我们首先还要认识空气流动的特性，即空气流动的基本规律。流动的空气就是气流，是一种流体。流体是气体和液体的总称。因为这两种物体的物理特性是一样的。所以在学习飞机的飞行理论时，讨论到空气中的情况时，大家可以联系我们生活中水里遇到的一些比较直观的情况来思考，就可以轻松掌握相关知识。这里我们要较为简单的阐述两个流体运动定理:连续性定理和伯努利定理。 (一) 流体运动的两个定理 1、流体的连续性定理 流体的连续性定理:当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管道时，由于管道中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来，因此在同一时间内，流进任意一个切面的流体的质量和从另一切面流出的流体质量是相等的.连续性定理阐述了流体在流动中流速和管道切面之间的关系。即“在同一流管中，流体流速的快慢与流管剖面面积成反比”。 例如:“在一个小河上投下几片树叶顺流而下，树叶在河岸较为宽阔的水面上移动的较为缓慢;而到了河岸比较窄的地方，树叶流动的速度就会加快，到达宽阔的水面时速度又会慢下来。”这就是流体的连续性定理的作用。作为空气中的现象一般现为楼房之间的狭窄位置风通常比别的地方大一些。 2、伯努利定理 伯努利定理就是要阐述流体流动在流动中流速和压力之间的关系。丹尼尔?伯努利在1726年首先提出“伯努利原理”。当时的内容就是:流体在一个管道中流动时，流速大的地方对周围施加的压力小，流速小的地方对周围所施加的压力就大。 通俗来讲伯努利定理的基本内容就是:“在水流或气流里，如果速度小，压力就大，如果速度大，压力就小。”例如，在河流汛期中，一般大堤决口的地方通常是水面宽阔，水流速度慢的下游地区。对于空气中的现象，我们可以作以下试验:两手各拿一张薄纸，使它们之间的距离分开大约4~6厘米。然后用嘴向这两张纸中间用力吹气，你会看到，这两张纸不但没有分开，反而相互靠近了，而且用最吹出的气体速度越大，两张纸就越靠近。从这个现象可以看出，当两张纸中间有空气流过时，纸张外侧的空气没有流动。根据伯努利 第 1 页 共 6 页 定理，纸张外侧的压强比纸张里侧的大，内外的压强差就把两纸往中间压去。中间空气流动的速度越快，纸内外的压强差也就越大。(如下图) (二) 飞机升力的产生 飞机的升力绝大部分是由机翼产生而非发动机。飞机没有机翼，是肯定不能飞起来的。滑翔机就是一个很好的例子。飞机发动机则是动力产生的重要部件。飞机其他部分产生的升力很小，这里不做讨论。 1、机翼的形状 飞机机翼的翼剖面又叫做翼型，一般翼型的前端圆钝、后端尖锐，上表面拱起、下表面较平，呈鱼侧形。前端点叫做前缘，后端点叫做后缘，两点之间的连线叫做翼弦。(见图一) 图一 飞机的机翼根据飞机的速度不同还有多种形状，但是具体的外形与图示中的外形没有根本性的变化。 2、升力的产生 第 2 页 共 6 页 图二 从图二我们可以看到:至于管道中间的机翼，当有空气流过机翼前缘时，分成上、下两股气流，分别沿机翼上、下表面流过，在机翼后缘重新汇合向后流去。这里我们就引用到了上述两个定理。机翼上表面形状比较凸出，流管较细，机翼上表面流速加快，压力降低。而机翼下表面，流管变粗，根据流体的两个定理，这里流速减慢，压力增大。于是机翼上、下表面出现了压力差，垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样重于空气的飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力，从而翱翔在蓝天上了。 维持飞机在空中飞行的升力是由于气流流过机翼产生压力差而生成的。(见图三)这个压力差就是空气总动力(R)， 它垂直流速方向的分力就是升力(Y)。飞机的形状在空气中获得的阻力(Q)。所以飞机如果要飞行，相对气流的速度是关键。 图三 第 3 页 共 6 页 科学研究结论:机翼升力的产生主要靠上表面吸力的作用，而不是靠下表面正压力的作用，一般机翼上表面形成的吸力占总升力的60-80%左右，下表面的正压形成的升力只占总升力的20-40%左右。在这里大家做一般了解。 (三) 飞机阻力的产生 飞机飞行在空气中会有各种阻力，阻力是与飞机运动方向相反的空气动力，它阻碍飞机的前进，这里我们也需要对它有所了解。按阻力产生的原因可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力。 1、摩擦阻力——空气的物理特性之一就是粘性。当空气流过飞机表面时，由于粘性，空气同飞机表面发生摩擦，产生一个阻止飞机前进的力，这个力就是摩擦阻力。摩擦阻力的大小，于空气的粘性，飞机的表面状况，以及同空气相接触的飞机表面积。空气粘性越大、飞机表面越粗糙、飞机表面积越大，摩擦阻力就越大。 2、压差阻力——人在逆风中行走，会感到阻力的作用，这就是一种压差阻力。这种由前后压力差形成的阻力叫压差阻力。飞机的机身、尾翼等部件都会产生压差阻力。 3、诱导阻力——升力产生的同时还对飞机附加了一种阻力。这种因产生升力而诱导出来的阻力称为诱导阻力，是飞机为产生升力而付出的一种“代价”。其产生的过程较复杂这里就不在详诉。 4、干扰阻力——它是飞机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外阻力。这种阻力容易产生在机身和机翼、机身和尾翼、机翼和发动机短舱、机翼和副油箱之间。 以上四种阻力是对低速飞机而言，至于高速飞机，除了也有这些阻力外，还会产生波阻等其他阻力。 (四) 影响飞机升力和阻力的两个因素 升力和阻力是飞机在空气之间的相对运动中(相对气流)中产生的。影响升力和阻力的基本因素有:机翼在气流中的相对位置(迎角)、气流的速度和空气密度以及飞机本身的特点(飞机表面质量、机翼形状、机翼面积、是否使用襟翼和前缘翼缝是否张开等)。 1.迎角对升力和阻力的影响——相对气流方向与翼弦所夹的角度叫迎角。在飞行速度等其它条件相同的情况下，得到最大升力的迎角，叫做临界迎角。在小于临界迎角范围内增大迎角，升力增大:超过临界临界迎角后，再增大迎角，升力反而减小。迎角增大，阻力也越大，迎角越大，阻力增加越多:超过临界迎角，阻力急剧增大。 第 4 页 共 6 页 第 5 页 共 6 页 2.飞行速度和空气密度对升力阻力的影响——飞行速度越大升力、阻力越大。升力、阻力与飞行速度的平方成正比例，即速度增大到原来的两倍，升力和阻力增大到原来的四倍:速度增大到原来的三倍，升力和阻力也会增大到原来的九倍。空气密度大，空气动力大，升力和阻力自然也大。空气密度增大为原来的两倍，升力和阻力也增大为原来的两倍，即升力和阻力与空气密度成正比例。 3，机翼面积，形状和表面质量对升力、阻力的影响——机翼面积大，升力大，阻力也大。升力和阻力都与机翼面积的大小成正比例。机翼形状对升力、阻力有很大影响，从机翼切面形状的相对厚度、最大厚度位置、机翼平面形状、襟翼和前缘翼缝的位置到机翼结冰都对升力、阻力影响较大。还有飞机表面光滑与否对摩擦阻力也会有影响，飞机表面相对光滑，阻力相对也会较小，反之则大。 第 6 页 共 6 页