航空航天概论.pdf

第四章 飞机飞行的 基本原理 航空航天概论 4.1 4.2 4.3 4.4 4.7 4.5 4.6 4.8 4.14.1 飞行环境飞行环境 4.1.1 4.1.1 地球地球地球地球 回目录页回目录页 4.1.2 4.1.2 地球大气层地球大气层地球大气层地球大气层 4.1.3 4.1.3 标准大气标准大气标准大气标准大气 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.1.1 回目录页 4.1.1 地球地球 地球是宇宙中的一个天体。是太阳系中 的一颗行星。它存在着绕自身轴的自转和围 绕太阳的公转。 地球为一椭球体，其半长轴为 6378.1km，半短轴为6356.8km，扁率约为 1/298。可以近似认为地球是半径为6370km 的球体。 地球的质量为5.97710 地球是宇宙中的一个天体。是太阳系中 的一颗行星。它存在着绕自身轴的自转和围 绕太阳的公转。 地球为一椭球体，其半长轴为 6378.1km，半短轴为6356.8km，扁率约为 1/298。可以近似认为地球是半径为6370km 的球体。 地球的质量为5.9771021 21 ton。 ton。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.1.2(1) 回目录页下一页 4.1.2 地球大气层地球大气层 地球大气层指的是在地球引力的作 用下，在地球周围所形成的气体包层。 根据大气层的某些特征，可将其分 为五层，即： 地球大气层指的是在地球引力的作 用下，在地球周围所形成的气体包层。 根据大气层的某些特征，可将其分 为五层，即： 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.1.2(2) 回目录页 对流层对流层对流层对流层 平流层平流层平流层平流层 中间层中间层中间层中间层 电离层电离层电离层电离层 散逸层散逸层散逸层散逸层 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 对流层对流层 上一页 对流层也称为变温层，是最贴近地球 表面的一层，其上界随地球纬度和温 度等而变化。 对流层也称为变温层，是最贴近地球 表面的一层，其上界随地球纬度和温 度等而变化。 由于地球对大气的引力，对流层包含 了所有大气质量的 由于地球对大气的引力，对流层包含 了所有大气质量的3/4左右，因此该层 大气密度最大，大气压力最高。 左右，因此该层 大气密度最大，大气压力最高。 在对流层内，气象情况复杂。在对流层内，气象情况复杂。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 平流层平流层 上一页 平流层位于对流层顶界的上面，其顶 界离地球表面约为 平流层位于对流层顶界的上面，其顶 界离地球表面约为30km。 这一层内的大气质量约占大气总质量 的 这一层内的大气质量约占大气总质量 的1/4不到一些。不到一些。 在平流层内，空气只有水平方向的流 动，通常也没有复杂的气象情况。 在平流层内，空气只有水平方向的流 动，通常也没有复杂的气象情况。 在离地球表面在离地球表面25km以下，空气温度几 乎不变，所以该层又叫做同温层。 以下，空气温度几 乎不变，所以该层又叫做同温层。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 中间层中间层 上一页 中间层从离地面中间层从离地面30km到到80100km 止。止。 中间层内含有大量的臭氧 ，空气非常 稀薄 ，大气质量仅占大气总质量的三 千分之一。 中间层内含有大量的臭氧 ，空气非常 稀薄 ，大气质量仅占大气总质量的三 千分之一。 气温随高度的增加先升高而后下降。气温随高度的增加先升高而后下降。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 电离层电离层 上一页 电离层位于中间曾之上至离地面500km 左右。 这一层里，空气极其稀薄。 由于太阳辐射的各种射线和宇宙射线 使大气分子电离成离子和自由电子， 空气处于高度的电离状态，具有很强 的导电性。 在电离层内，温度随高度的增加而升 高，故又称为热层或暖层。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 散逸层散逸层 上一页 散逸层位于距地球表面500km到2000 3000km之间，亦称外层。 这层内的大气质量只占大气总质量的 1011，由于所受的地球引力极小，所 以大气分子有机会向星际空间散逸。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.1.3 回目录页 4.1.3 标准大气标准大气 国际标准大气的规定：国际标准大气的规定： 大气被看成完全气体；大气被看成完全气体； 以海平面的高度为零。且在海平面上以海平面的高度为零。且在海平面上, 大气的标准状态为：大气的标准状态为： 气温气温t15 压强 压强p1标准大气压（即标准大气压（即p10330 kg/m2） 密度 ） 密度1.2250 kg/m3 音速音速a341 m/s 4.24.2 低速流动空气的特性低速流动空气的特性 回目录页回目录页 继续继续 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 连续性方程连续性方程 回目录页下一页 流体连续性方程：流体连续性方程： 1s1v1= 2s2v2= 3s3v3=const. 即：即： s v = const. 当流体不可压缩时， 即： 当流体不可压缩时， 即： = const. 时： 有： 时： 有：s v = const. 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 伯努利定理伯努利定理 回目录页下一页 伯努利定理伯努利定理 管道中以稳定的速度流动的流体，若流体 不可压缩，且与外界无能量交换，则沿管道各 点的流体的动压与静压之和等于常量。 管道中以稳定的速度流动的流体，若流体 不可压缩，且与外界无能量交换，则沿管道各 点的流体的动压与静压之和等于常量。 伯努利方程伯努利方程 p + ( v2 )/2= p = const. 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 低速流动空气的特性低速流动空气的特性 根据流体连续性定理和伯努利定理，可 以得到以下结论： 根据流体连续性定理和伯努利定理，可 以得到以下结论：流体在管道中流动时，凡 是管道剖面大的地方，流体的流速就小，流 体的静压 就大；而管道剖面小的地方，流速 大，静压小。 流体在管道中流动时，凡 是管道剖面大的地方，流体的流速就小，流 体的静压 就大；而管道剖面小的地方，流速 大，静压小。即： 若 即： 若s1 s2 s3 则则v1 v2 v3 p1 p2 p3 低速流体特性低速流体特性 回目录页 4.34.3 飞机的升力和阻力飞机的升力和阻力 4.3.1 4.3.1 机体坐标系机体坐标系机体坐标系机体坐标系 回目录页回目录页 4.3.2 4.3.2 有关参数有关参数有关参数有关参数 4.3.3 4.3.3 飞机的升力飞机的升力飞机的升力飞机的升力 4.3.4 4.3.4 飞机的阻力飞机的阻力飞机的阻力飞机的阻力 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.1 回目录页 4.3.1 机体坐标系机体坐标系 原点原点原点原点：在飞机的重心处；：在飞机的重心处； x x 轴轴轴轴：在飞机的纵轴上，指向头部为 正； ：在飞机的纵轴上，指向头部为 正； y y 轴轴轴轴：在飞机的纵向对称平面内，并 垂直于 ：在飞机的纵向对称平面内，并 垂直于x轴，指向上方为正；轴，指向上方为正； z z 轴轴轴轴：位置和指向按右手定则确定， 即从左机翼通过重心到右机翼。 ：位置和指向按右手定则确定， 即从左机翼通过重心到右机翼。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 机体坐标系机体坐标系 回目录页上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.2 机翼、翼型及其有关参数机翼、翼型及其有关参数 翼型翼型翼型翼型：机翼的横剖面形状。翼形最前端 的一点叫 ：机翼的横剖面形状。翼形最前端 的一点叫“前缘前缘”，最后端一点叫，最后端一点叫 “后缘后缘”。 翼展翼展翼展翼展：机翼翼尖两端点之间的距离，也 叫展长，以 ：机翼翼尖两端点之间的距离，也 叫展长，以“l”表示。表示。 4.3.2(1) 回目录页下一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 翼弦翼弦翼弦翼弦：翼型前后缘之间的连线；其长度 称为弦长，通常以 ：翼型前后缘之间的连线；其长度 称为弦长，通常以 b 表示。若机 翼的平面形状不是矩形，则采用 表示。若机 翼的平面形状不是矩形，则采用 “平均气动力弦长平均气动力弦长”来代替弦长， 平均气动力弦长用 来代替弦长， 平均气动力弦长用bba表示，定义 为： 表示，定义 为： bba=s/l。 4.3.2(2) 回目录页下一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 厚度厚度厚度厚度：以翼弦为基础作垂线，每一条垂 线在翼形内的长度即为该处的翼 型厚度，以 ：以翼弦为基础作垂线，每一条垂 线在翼形内的长度即为该处的翼 型厚度，以c表示。表示。 最大厚度cmax 相对厚度 弯度弯度弯度弯度：厚度线中点的连线叫中弧线。中 弧线与翼弦之间的最大距离叫翼 形的最大弯度，以 ：厚度线中点的连线叫中弧线。中 弧线与翼弦之间的最大距离叫翼 形的最大弯度，以fmax表示。表示。 相对弯度 4.3.2(3) 回目录页下一页 %100)( max bcc %100)( max bff 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 展弦比展弦比展弦比展弦比：展长和平均气动力弦长之比：展长和平均气动力弦长之比;以 表示，即： 以 表示，即：=l/ bba=l2/s。 根稍比根稍比根稍比根稍比：机翼的翼根弦长与翼尖弦长之 比，也称 ：机翼的翼根弦长与翼尖弦长之 比，也称“梯形比梯形比”或或“尖削比尖削比”, 以以= b根弦 根弦/ b梢弦梢弦表示。 表示。 后掠角后掠角后掠角后掠角：通常以：通常以表示表示 4.3.2(4) 回目录页下一页 前缘后掠角前缘后掠角0：机翼前缘同垂直于飞机纵 轴的直线之间的夹角 后缘后掠角 ：机翼前缘同垂直于飞机纵 轴的直线之间的夹角 后缘后掠角1 1/4弦线后掠角弦线后掠角0.25 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.2(5) 回目录页下一页 上反角和下反角上反角和下反角上反角和下反角上反角和下反角： 机翼的底面同垂直于飞机立轴 的平面之间的夹角，以 ： 机翼的底面同垂直于飞机立轴 的平面之间的夹角，以表示。表示。 迎角迎角迎角迎角：翼弦与相对气流速度：翼弦与相对气流速度v之间的夹 角，也称为飞机的攻角，通常 以 之间的夹 角，也称为飞机的攻角，通常 以表示。表示。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 翼型参数翼型参数 回目录页回翼型翼展回翼弦回厚度弯度 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 机翼参数机翼参数 回目录页回翼展回机翼参数 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 反角反角 回目录页上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 迎角迎角 回目录页上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 常见翼型常见翼型 回目录页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.3 飞机的升力飞机的升力 4.3.3(1) 回目录页下一页 通常，机翼翼型的上表 面凸起较多而下表面比较平 直，再加上有一定的迎角。 这样，从前缘到后缘，上翼 面的气流流速就比下翼面的 流速快；上翼面的静压也就 比下翼面的静压低，上下翼 面间形成压力差，此静压差 称为作用在机翼上的空气动 力。 通常，机翼翼型的上表 面凸起较多而下表面比较平 直，再加上有一定的迎角。 这样，从前缘到后缘，上翼 面的气流流速就比下翼面的 流速快；上翼面的静压也就 比下翼面的静压低，上下翼 面间形成压力差，此静压差 称为作用在机翼上的空气动 力。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.3(2) 回目录页下一页 空气动力是分布力， 其合力的作用点叫做压 力中心。空气动力合力 在垂直于气流速度方向 上的分量就是机翼的升 力。 空气动力的分布随迎 角的不同而变化。因 此，飞机升力的大小也 随迎角的改变而变化。 空气动力是分布力， 其合力的作用点叫做压 力中心。空气动力合力 在垂直于气流速度方向 上的分量就是机翼的升 力。 空气动力的分布随迎 角的不同而变化。因 此，飞机升力的大小也 随迎角的改变而变化。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.3(3) 回目录页下一页 升力的计算公式：升力的计算公式： svcy y ）（ 2 2 1 式中：式中： 为飞机所在高度处的空气密度，为飞机所在高度处的空气密度， v为飞机的飞行速度为飞机的飞行速度, (1/2v2)为动压为动压 s为机翼的面积，为机翼的面积， cy为升力系数。为升力系数。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.3(4) 回目录页下一页 对于某一种翼型、某 一种机翼片面形状，通 常通过实验来获得升力 系数与迎角的关系曲 线，即 对于某一种翼型、某 一种机翼片面形状，通 常通过实验来获得升力 系数与迎角的关系曲 线，即cy曲线。曲线。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.3(5) 回目录页 在在cy曲线中，对应于升力系数等于 零的迎角称为零升力迎角；对应于最大升力 系数 曲线中，对应于升力系数等于 零的迎角称为零升力迎角；对应于最大升力 系数cymax曲的迎角叫临界迎角或失速迎角。 当飞机的迎角小于临界迎角时，升力系 数随着迎角的增大而增大；当迎角超过临界 迎角后，迎角增大，升力系数却急剧下降， 这种现象称为 曲的迎角叫临界迎角或失速迎角。 当飞机的迎角小于临界迎角时，升力系 数随着迎角的增大而增大；当迎角超过临界 迎角后，迎角增大，升力系数却急剧下降， 这种现象称为失速失速失速失速。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.3(6) 回目录页下一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.3(7) 回目录页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.4(1) 回目录页 4.3.4 飞机的阻力飞机的阻力 下一页 作用在飞机上的空气 动力在平行于气流速度方 向上的分力就是飞机的阻 力。 按阻力产生的原因，飞机低速飞行 时的阻力一般可分为： 作用在飞机上的空气 动力在平行于气流速度方 向上的分力就是飞机的阻 力。 按阻力产生的原因，飞机低速飞行 时的阻力一般可分为：摩擦阻力摩擦阻力摩擦阻力摩擦阻力、压差压差压差压差 阻力阻力阻力阻力、诱导阻力诱导阻力诱导阻力诱导阻力、干扰阻力干扰阻力干扰阻力干扰阻力。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 摩擦阻力摩擦阻力 回目录页 当气流流过飞机表面时，由于空气 存在粘性，空气微团与飞机表面发生摩 擦，阻滞了气流的流动，由此而产生的 阻力叫做摩擦阻力。 摩擦阻力是在 当气流流过飞机表面时，由于空气 存在粘性，空气微团与飞机表面发生摩 擦，阻滞了气流的流动，由此而产生的 阻力叫做摩擦阻力。 摩擦阻力是在附面层附面层附面层附面层中产生的。中产生的。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 附面层附面层(1) 回目录页 所谓附面层就是紧贴物体表面，流速 由外部流体的自由流速逐渐降低到零的那 一层薄薄的空气层。 所谓附面层就是紧贴物体表面，流速 由外部流体的自由流速逐渐降低到零的那 一层薄薄的空气层。 下一页 附面层中气 流的流动情况也 是不同的，可分 为 附面层中气 流的流动情况也 是不同的，可分 为层流附面层层流附面层层流附面层层流附面层和和 紊流附面层紊流附面层紊流附面层紊流附面层。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 附面层附面层(2) 回目录页 层流附面层：气流各层不相混杂而成层流流 动，其摩擦阻力较小。 层流附面层：气流各层不相混杂而成层流流 动，其摩擦阻力较小。 紊流附面层：气流活动杂乱无章，并出现漩 涡和横向运动，但整个附面层仍然附 着于翼面，其摩擦阻力较大。 紊流附面层：气流活动杂乱无章，并出现漩 涡和横向运动，但整个附面层仍然附 着于翼面，其摩擦阻力较大。 上一页 尾迹：附面层脱离了翼面而形成大量宏观的 漩涡。 尾迹：附面层脱离了翼面而形成大量宏观的 漩涡。 转捩点：层流附面层转变为紊流附面层的点。转捩点：层流附面层转变为紊流附面层的点。 分离点：附面层开始脱离翼面的点。分离点：附面层开始脱离翼面的点。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 压差阻力压差阻力 回目录页 运动着的物体前后由于压力差而形 成的阻力叫做压差阻力。 压差阻力与物 体的迎风面积、物 体的形状以及物体 在气流中的位置都 有很大关系。 运动着的物体前后由于压力差而形 成的阻力叫做压差阻力。 压差阻力与物 体的迎风面积、物 体的形状以及物体 在气流中的位置都 有很大关系。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 诱导阻力诱导阻力 回目录页 诱导阻力是翼面所独有的一种阻力， 它是伴随着升力的产生而产生的，因此可 以说它是为了产生升力而付出的一种 诱导阻力是翼面所独有的一种阻力， 它是伴随着升力的产生而产生的，因此可 以说它是为了产生升力而付出的一种“代 价 代 价”。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 干扰阻力干扰阻力 回目录页 干扰阻力就是飞机各部分之间由于气 流相互干扰而产生的一种额外的阻力。 干扰阻力就是飞机各部分之间由于气 流相互干扰而产生的一种额外的阻力。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.3.4(2) 回目录页 阻力的计算公式：阻力的计算公式： svcx x ）（ 2 2 1 与计算升力时不同的是：与计算升力时不同的是： cx为阻力系数。对某一翼型、某一平面形状 的机翼而言，阻力系数 为阻力系数。对某一翼型、某一平面形状 的机翼而言，阻力系数cx不仅与迎角不仅与迎角有 关，而且还与速度 有 关，而且还与速度v的大小有很大关系。阻力 系数曲线同样也由试验获得。 的大小有很大关系。阻力 系数曲线同样也由试验获得。 s为参考面积，计算时应视使用的部件不同而 不同。 为参考面积，计算时应视使用的部件不同而 不同。 4.44.4 高速飞行的一些特点高速飞行的一些特点 4.4.1 4.4.1 音速和马赫数音速和马赫数音速和马赫数音速和马赫数 回目录页回目录页 4.4.2 4.4.2 高速气流的特性高速气流的特性高速气流的特性高速气流的特性 4.4.3 4.4.3 激波激波激波激波 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.4.1(1) 回目录页下一页 音波：声源在空气中震动，会使周 围空气形成周期性的压强和 密度变化的疏密波。传播声 音的空气疏密波叫做音波。 音波：声源在空气中震动，会使周 围空气形成周期性的压强和 密度变化的疏密波。传播声 音的空气疏密波叫做音波。 音速：音波在空气中传播的速度。音速：音波在空气中传播的速度。 4.4.1 音速和马赫数音速和马赫数 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.4.1(2) 回目录页下一页 马赫数：马赫数： 马赫数简称马赫数简称m数，用以描述空气 受压缩的程度。 数，用以描述空气 受压缩的程度。 马赫数的数学表达式为：马赫数的数学表达式为： m= v / a 式中：式中：v表示飞机在一定高度上的 飞行速度， 表示飞机在一定高度上的 飞行速度，a表示当时飞机所在位 置处的音速。 表示当时飞机所在位 置处的音速。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.4.1(3) 回目录页 简单地划分：简单地划分： m 1：亚音速飞行：亚音速飞行 m 1：超音速飞行：超音速飞行 m 1：等音速飞行：等音速飞行 航空上划分： 亚音速区： 航空上划分： 亚音速区：m 0.75 跨音速区：跨音速区： 0.75 m 1.2 超音速区：超音速区： 1.2 m 5.0 高超音速区：高超音速区：m 5.0 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.4.2(1) 回目录页下一页 当气流速度接近和高于音速时， 大气呈现出强烈的压缩和膨胀现象， 压力、密度和温度都会发生显著的变 化，气流特性会出现一些不同于低速 流动的质的差别。 当气流速度接近和高于音速时， 大气呈现出强烈的压缩和膨胀现象， 压力、密度和温度都会发生显著的变 化，气流特性会出现一些不同于低速 流动的质的差别。 4.4.2 高速气流的特性高速气流的特性 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.4.2(2) 回目录页 在高速流动时，一维流管中气流 速度 在高速流动时，一维流管中气流 速度v和所流过的流管截面积和所流过的流管截面积s之间的 关系为： 式中， 之间的 关系为： 式中，m为气流的马赫数，为气流的马赫数，ds为流管 截面积 为流管 截面积s的变化量；的变化量；dv为气流速度为气流速度v的 变化量。 的 变化量。 v dv m s ds ) 1( 2 4.4.3.1 4.4.3.1 扰动波的传播扰动波的传播扰动波的传播扰动波的传播 回目录页回目录页 4.4.3.2 4.4.3.2 激波及其分类激波及其分类激波及其分类激波及其分类 4.4.3.3 4.4.3.3 局部激波和临界马赫数局部激波和临界马赫数局部激波和临界马赫数局部激波和临界马赫数 回回4.44.4目录页目录页 4.4.3.4 4.4.3.4 提高临界马赫数的措施提高临界马赫数的措施提高临界马赫数的措施提高临界马赫数的措施 4.4.3 激波激波 4.4.3 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.4.3.1(1) 回目录页 扰动源在静止的空气中以速度扰动源在静止的空气中以速度v 作等速直线运动，根据扰动源的不同 运动速度，会出现四种可能的情况： 作等速直线运动，根据扰动源的不同 运动速度，会出现四种可能的情况： 扰动源静止不动：扰动源静止不动：m0 扰动源以亚音速运动：扰动源以亚音速运动：0 m 1 扰动源以等音速运动：扰动源以等音速运动：m 1 扰动源以超音速运动：扰动源以超音速运动：m 1 4.4.3.1 4.4.3.1 扰动波的传播扰动波的传播扰动波的传播扰动波的传播 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 m=0 回目录页 由于扰动源 静止不动，所以 扰动波以音速 由于扰动源 静止不动，所以 扰动波以音速a 向四周传播，形 成以扰动源为中 心的同心球面波。 向四周传播，形 成以扰动源为中 心的同心球面波。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 0m1 回目录页 由于扰动源 以亚音速运动， 所以扰动源总是 落后于扰动波， 形成偏向扰动源 前进方向的不同 心球面波。 由于扰动源 以亚音速运动， 所以扰动源总是 落后于扰动波， 形成偏向扰动源 前进方向的不同 心球面波。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 m=1 回目录页 由于扰动源以音 速运动，所以扰动波 总是与扰动源同时到 达某一点，扰动波都 迭聚在扰动源处，形 成一个垂直于扰动源 前进方向的波面。此 波面成为受扰和未受 扰空气的分界面。 由于扰动源以音 速运动，所以扰动波 总是与扰动源同时到 达某一点，扰动波都 迭聚在扰动源处，形 成一个垂直于扰动源 前进方向的波面。此 波面成为受扰和未受 扰空气的分界面。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 m1 回目录页 由于扰动源以超 音速运动，所以扰动 波总是落后于扰动 源，在扰动源后面形 成一个圆锥面，所有 扰动波都被局限在这 个锥面内。 由于扰动源以超 音速运动，所以扰动 波总是落后于扰动 源，在扰动源后面形 成一个圆锥面，所有 扰动波都被局限在这 个锥面内。 上一页 该锥面称为马赫锥，马赫 锥 的半顶角称 为马赫角 该锥面称为马赫锥，马赫 锥 的半顶角称 为马赫角。显然，。显然，m数越大，马赫 锥就越 尖锐。 数越大，马赫 锥就越 尖锐。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 激波：当飞机以等音速或超音速飞行 时，在其前面也会出现由无数较 强的波迭聚而成的波面，这个波 面就称为 激波：当飞机以等音速或超音速飞行 时，在其前面也会出现由无数较 强的波迭聚而成的波面，这个波 面就称为激波激波激波激波。 4.4.3.2(1) 回目录页下一页 激波特性：激波特性： 激波是一层受到强烈压缩的空气层。激波是一层受到强烈压缩的空气层。 气流通过激波时，压强、密度、温度 突然增加，而速度却大大降低。 气流通过激波时，压强、密度、温度 突然增加，而速度却大大降低。 4.4.3.2 4.4.3.2 激波及其分类激波及其分类激波及其分类激波及其分类 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 激波激波 回目录页回激波分类回激波 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.4.3.2(2) 回目录页下一页 激波分类：激波分类： 正激波正激波正激波正激波：波面 与飞行速度垂直。：波面 与飞行速度垂直。 斜激波斜激波斜激波斜激波：波面相对于飞行速度有倾斜角。：波面相对于飞行速度有倾斜角。 波阻：空气在通过激波时，受到阻滞， 流速急骤降低，由阻滞产生的热 量使空气加热。加热所需的能量 来自动能的消耗，动能的消耗就 表示产生了阻力。因为这一阻力 是由于形成激波而产生的，所以 叫做波阻。 波阻：空气在通过激波时，受到阻滞， 流速急骤降低，由阻滞产生的热 量使空气加热。加热所需的能量 来自动能的消耗，动能的消耗就 表示产生了阻力。因为这一阻力 是由于形成激波而产生的，所以 叫做波阻。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.4.3.2(3) 回目录页 激波强度：激波强度： 波阻的大小与激波的强度有关，即激 波强度越大，波阻就越大。 波阻的大小与激波的强度有关，即激 波强度越大，波阻就越大。 正激波的强度总是大于斜激波的强 度；且激波面越倾斜，激波强度就越 小。 正激波的强度总是大于斜激波的强 度；且激波面越倾斜，激波强度就越 小。影响激波强度的因素：影响激波强度的因素： 物体形状，尤其是物体形状，尤其是头部形状头部形状头部形状头部形状 物体运动速度，即物体运动速度，即mm数数数数 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 形状影响形状影响 回目录页 当当m1时：时： 上一页 若物体头部圆钝，在物体前面将形成脱体正 激波，而沿上下两端逐渐倾斜成斜激波。 若物体头部圆钝，在物体前面将形成脱体正 激波，而沿上下两端逐渐倾斜成斜激波。 若物体头部尖削，形成附着于物体头部的斜 激波。 若物体头部尖削，形成附着于物体头部的斜 激波。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 m数影响数影响 回目录页上一页 当当m数等于或稍大于数等于或稍大于1时，不论物体的 形状如何，产生的都将是正激波。 时，不论物体的 形状如何，产生的都将是正激波。 只有当只有当m数超过数超过1一定量时，才有可能 形成斜激波。 一定量时，才有可能 形成斜激波。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 当飞机的飞行速度达到一定值但还未 达到音速时，飞机上某些部位的局部流速 却已达到或超过了音速。于是，在这些局 部超音速区首先开始形成激波。这种在飞 机的飞行速度尚未达到音速而在机体表面 当飞机的飞行速度达到一定值但还未 达到音速时，飞机上某些部位的局部流速 却已达到或超过了音速。于是，在这些局 部超音速区首先开始形成激波。这种在飞 机的飞行速度尚未达到音速而在机体表面 4.4.3.3(1) 回目录页下一页 局部激波局部激波 4.4.3.3 4.4.3.3 局部激波和临界马赫数局部激波和临界马赫数局部激波和临界马赫数局部激波和临界马赫数 局部产生的激波称 之为 局部产生的激波称 之为“局部激波局部激波局部激波局部激波”。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 局部激波局部激波 回目录页 局部激波面 局部超音速区 局部激波面 局部超音速区 局部激波面局部激波面 v 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 飞机开始产生局部激波所对应的飞行 马赫数称为 飞机开始产生局部激波所对应的飞行 马赫数称为“临界马赫数临界马赫数”。 临界马赫数临界速度是亚音速飞行 和跨音速飞行的分界点。 。 临界马赫数临界速度是亚音速飞行 和跨音速飞行的分界点。 4.4.3.3(2) 回目录页 临界马赫数临界马赫数 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.4.3.4 回目录页 提高飞机的临界马赫数，目的在于推 迟局部激波的出现，使飞机不至于过早地 产生波阻。 提高飞机的临界马赫数可以从以下两 个方面采取必要的措施： 提高飞机的临界马赫数，目的在于推 迟局部激波的出现，使飞机不至于过早地 产生波阻。 提高飞机的临界马赫数可以从以下两 个方面采取必要的措施： 机翼剖面形状机翼剖面形状机翼剖面形状机翼剖面形状 机翼平面形状机翼平面形状机翼平面形状机翼平面形状 4.4.3.4 4.4.3.4 提高临界马赫数的措施提高临界马赫数的措施提高临界马赫数的措施提高临界马赫数的措施 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 在机翼剖面形状方面，可以采用厚 度较小、最大厚度靠近翼弦中部的翼型。 在机翼剖面形状方面，可以采用厚 度较小、最大厚度靠近翼弦中部的翼型。 剖面形状剖面形状 回目录页 薄翼型厚翼型薄翼型厚翼型 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 在机翼剖面形状方面，可以采用后 掠机翼。 在机翼剖面形状方面，可以采用后 掠机翼。 平面形状平面形状 回目录页上一页 后掠翼机提高 临界马赫数的 原理 后掠翼机提高 临界马赫数的 原理降低 机翼上的有效 速度。 降低 机翼上的有效 速度。 v v v1 v2 后掠翼存在的问题后掠翼存在的问题 翼尖失速翼尖失速翼尖失速翼尖失速 低速性能变差低速性能变差低速性能变差低速性能变差 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 翼刀翼刀 回目录页上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 变后掠变后掠 回目录页上一页 动画 4.54.5 飞机的稳定和操纵飞机的稳定和操纵 4.5.1 4.5.1 飞机的稳定飞机的稳定飞机的稳定飞机的稳定 回目录页回目录页 4.5.2 4.5.2 飞机的操纵飞机的操纵飞机的操纵飞机的操纵 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.5.1(1) 回目录页下一页 稳定的概念： 物体的稳定是指当物体处于平衡状态 时，受到微小的扰动而偏离了原来的平衡 状态，在扰动消失后能自动恢复到原来的 平衡状态的特性。 稳定的概念： 物体的稳定是指当物体处于平衡状态 时，受到微小的扰动而偏离了原来的平衡 状态，在扰动消失后能自动恢复到原来的 平衡状态的特性。 4.5.1 飞机的稳定飞机的稳定 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.5.1(2) 回目录页下一页 稳定不稳定中立稳定稳定不稳定中立稳定 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.5.1(3) 回目录页 飞机的稳定性： 飞机的稳定性是飞机设计中衡量飞行 品质的一个重要参数。如果飞机受到扰动 之后，在驾驶员不进行任何操纵的情况下 能够回到受扰动前的原始状态，则称飞机 是稳定的，反之则称飞机是不稳定的。 飞机的稳定包括 飞机的稳定性： 飞机的稳定性是飞机设计中衡量飞行 品质的一个重要参数。如果飞机受到扰动 之后，在驾驶员不进行任何操纵的情况下 能够回到受扰动前的原始状态，则称飞机 是稳定的，反之则称飞机是不稳定的。 飞机的稳定包括纵向稳定纵向稳定纵向稳定纵向稳定、方向稳定方向稳定方向稳定方向稳定 和和侧向稳定侧向稳定侧向稳定侧向稳定。 下一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 纵向稳定(1)纵向稳定(1) 回目录页 飞机绕横轴（飞机绕横轴（z 轴）的稳定叫纵向稳 定，它反映了飞机的俯仰稳定特性。 飞机主要靠水平尾翼和机翼来保证纵 向稳定，而飞机的重心位置对飞机的纵向 稳定有很大影响。 轴）的稳定叫纵向稳 定，它反映了飞机的俯仰稳定特性。 飞机主要靠水平尾翼和机翼来保证纵 向稳定，而飞机的重心位置对飞机的纵向 稳定有很大影响。 下一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 纵向稳定(2)纵向稳定(2) 回目录页 当飞机受到纵向扰动后，飞机的迎角 改变，水平尾翼和机翼所产生的附加力对 重心均形成恢复力矩。 可见，飞机的 重心位置对飞机的 纵向稳定有很大影 响。重心越靠后， 所产生的恢复力矩 就越小，即稳定性 就越差，甚至有可 能变为不稳定的。 当飞机受到纵向扰动后，飞机的迎角 改变，水平尾翼和机翼所产生的附加力对 重心均形成恢复力矩。 可见，飞机的 重心位置对飞机的 纵向稳定有很大影 响。重心越靠后， 所产生的恢复力矩 就越小，即稳定性 就越差，甚至有可 能变为不稳定的。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 方向稳定方向稳定 回目录页 飞机绕立轴（飞机绕立轴（y 轴）的稳定叫方向稳 定，也叫航向稳定。 飞机主要靠 轴）的稳定叫方向稳 定，也叫航向稳定。 飞机主要靠垂直尾翼垂直尾翼垂直尾翼垂直尾翼来保证其方向稳 定。 飞机的侧面迎风面积、机翼后掠角、 发动机短舱等对飞机的方向稳定也有一定 的影响。 来保证其方向稳 定。 飞机的侧面迎风面积、机翼后掠角、 发动机短舱等对飞机的方向稳定也有一定 的影响。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 垂尾作用垂尾作用 回目录页 当飞机受到方向扰动发生偏航后，气 流与垂直尾翼之间就有了夹角，使垂直尾 当飞机受到方向扰动发生偏航后，气 流与垂直尾翼之间就有了夹角，使垂直尾 上一页 垂直尾翼与方向稳定垂直尾翼与方向稳定 翼上产生附 加侧向力， 相对于重心 形成方向稳 定力矩。 翼上产生附 加侧向力， 相对于重心 形成方向稳 定力矩。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 侧向稳定侧向稳定 回目录页 飞机绕纵轴（飞机绕纵轴（x轴）的稳定叫侧向稳 定，它反映了飞机的滚转稳定特性。 保证飞机侧向稳定的主要因素有 轴）的稳定叫侧向稳 定，它反映了飞机的滚转稳定特性。 保证飞机侧向稳定的主要因素有机翼机翼机翼机翼 上反角上反角上反角上反角、机翼后掠角机翼后掠角机翼后掠角机翼后掠角和和垂直尾翼垂直尾翼垂直尾翼垂直尾翼。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 上反角作用上反角作用 回目录页 当飞机受到扰动出现侧滑后，由于存在上 反角，使左、右机翼的迎角大小不等，左、右 机翼所产生的附加升力也不等，这两个力的差 当飞机受到扰动出现侧滑后，由于存在上 反角，使左、右机翼的迎角大小不等，左、右 机翼所产生的附加升力也不等，这两个力的差 上一页 相对于重心形成恢 复力矩。 上反角越大， 飞机的侧向稳定就 越好。相反，下反 角则起侧向不稳定 作用。 相对于重心形成恢 复力矩。 上反角越大， 飞机的侧向稳定就 越好。相反，下反 角则起侧向不稳定 作用。 上反角与侧向稳定上反角与侧向稳定 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 后掠角作用后掠角作用 回目录页 当飞机受到扰动出现侧滑后，由于后掠角 的存在，使两侧机翼上的有效速度大小不等， 两侧机翼所产生的附加升力也就不等，两者之 差相对于重心形成恢复力矩。 后掠角 越大，侧向 稳定作用也 就越强。 当飞机受到扰动出现侧滑后，由于后掠角 的存在，使两侧机翼上的有效速度大小不等， 两侧机翼所产生的附加升力也就不等，两者之 差相对于重心形成恢复力矩。 后掠角 越大，侧向 稳定作用也 就越强。 后掠角与侧向稳定后掠角与侧向稳定 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 垂尾作用垂尾作用 回目录页 垂直尾翼之所以能对飞机产生侧向稳 定作用，是因为当出现了侧滑以后，垂直 尾翼上产生的附加侧向力的作用点位于飞 机重心的上方，因而相对于重心也形成恢 复力矩。 腹鳍因位于重心（机身）的后下方， 则起方向稳定作用和侧向不稳定作用。 垂直尾翼之所以能对飞机产生侧向稳 定作用，是因为当出现了侧滑以后，垂直 尾翼上产生的附加侧向力的作用点位于飞 机重心的上方，因而相对于重心也形成恢 复力矩。 腹鳍因位于重心（机身）的后下方， 则起方向稳定作用和侧向不稳定作用。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.5.1(4) 回目录页 可以看出，飞机的侧向稳定和方向稳 定是紧密联系且相互影响的，因此通常合 称为 可以看出，飞机的侧向稳定和方向稳 定是紧密联系且相互影响的，因此通常合 称为“横侧稳定横侧稳定”。 飞机的侧向稳定和方向稳定必须很好 匹配。如若匹配不当，飞机将有可能出现 。 飞机的侧向稳定和方向稳定必须很好 匹配。如若匹配不当，飞机将有可能出现 “螺旋不稳定螺旋不稳定”或或“荷兰滚荷兰滚”现象。现象。 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.5.2(1) 回目录页下一页 飞机的操纵是指驾驶员通过飞机的操 纵机构来改变飞机的飞行状态。 飞机的操纵性则指的是飞机对操纵的 反应特性，又可以称为飞机的操纵品质。 飞机的操纵是指驾驶员通过飞机的操 纵机构来改变飞机的飞行状态。 飞机的操纵性则指的是飞机对操纵的 反应特性，又可以称为飞机的操纵品质。 4.5.2 飞机的操纵飞机的操纵 飞机的操纵与操纵性：飞机的操纵与操纵性： 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.5.2(2) 回目录页下一页 飞机的操纵主要是通过驾驶杆和脚蹬 等操纵机构偏转飞机的三个主操纵面 飞机的操纵主要是通过驾驶杆和脚蹬 等操纵机构偏转飞机的三个主操纵面 升降舵、方向舵和副翼来实现的。 飞机的操纵包括 升降舵、方向舵和副翼来实现的。 飞机的操纵包括俯仰操纵俯仰操纵俯仰操纵俯仰操纵、方向操纵方向操纵方向操纵方向操纵 和和倾侧操纵倾侧操纵倾侧操纵倾侧操纵。 飞机操纵的实现：飞机操纵的实现： 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 俯仰操纵俯仰操纵 回目录页 使飞机绕横轴（使飞机绕横轴（z 轴）作俯仰（纵向）运 动的操纵叫俯仰操纵，也称纵向操纵。 通过推、拉驾驶杆，使飞机的升降舵（或 全动平尾）向下或向上偏转，产生俯仰力矩， 从而使飞机低头或抬头作俯仰运动。 轴）作俯仰（纵向）运 动的操纵叫俯仰操纵，也称纵向操纵。 通过推、拉驾驶杆，使飞机的升降舵（或 全动平尾）向下或向上偏转，产生俯仰力矩， 从而使飞机低头或抬头作俯仰运动。 飞机的俯仰操纵飞机的俯仰操纵 上一页 升降舵 驾驶杆 驾驶杆 升降舵 驾驶杆 驾驶杆 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 方向操纵方向操纵 回目录页 使飞机绕立轴（使飞机绕立轴（y 轴）作偏航运动的操纵 叫方向操纵，也称航向操纵。 通过蹬脚蹬，使飞机的方向舵向左或向右 轴）作偏航运动的操纵 叫方向操纵，也称航向操纵。 通过蹬脚蹬，使飞机的方向舵向左或向右 偏转，产生偏 航力矩，从而 使飞机向左或 向右作偏航运 动。 偏转，产生偏 航力矩，从而 使飞机向左或 向右作偏航运 动。 飞机的方向操纵飞机的方向操纵 方向舵方向舵 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 倾侧操纵倾侧操纵 回目录页 使飞机绕纵轴（使飞机绕纵轴（x 轴）作滚转（倾侧）运 动的操纵叫倾侧操纵。 轴）作滚转（倾侧）运 动的操纵叫倾侧操纵。 上一页 通过左压或右压 驾驶杆(左转或右转手 轮)使飞机的左、右副 翼一侧向下另一侧向 上偏转，产生滚转(倾 侧)力矩，从而使飞机 向左或向右作滚转(倾 侧)运动。 通过左压或右压 驾驶杆(左转或右转手 轮)使飞机的左、右副 翼一侧向下另一侧向 上偏转，产生滚转(倾 侧)力矩，从而使飞机 向左或向右作滚转(倾 侧)运动。 飞机的侧向操纵飞机的侧向操纵 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.5.2(3) 回目录页下一页 同样，在实际飞行中，方向操纵和倾 侧操纵也是不可分的，经常是相互配合、 协调进行，因此方向操纵和航向操纵也常 合称为 同样，在实际飞行中，方向操纵和倾 侧操纵也是不可分的，经常是相互配合、 协调进行，因此方向操纵和航向操纵也常 合称为“横侧向操纵横侧向操纵”。 方向操纵与侧向操纵：方向操纵与侧向操纵： 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.5.2(4) 回目录页 飞机的操纵与飞机的稳定之间存在着 一定的排斥关系，因此在飞机设计时必须 统筹考虑，协调处理，以满足不同飞机的 不同需要。 飞机的操纵与飞机的稳定之间存在着 一定的排斥关系，因此在飞机设计时必须 统筹考虑，协调处理，以满足不同飞机的 不同需要。 飞机的操纵与飞机的稳定：飞机的操纵与飞机的稳定： 4.64.6 飞机的飞行性能飞机的飞行性能 4.6.1 4.6.1 速度性能速度性能速度性能速度性能 回目录页回目录页 4.6.2 4.6.2 爬升性能爬升性能爬升性能爬升性能 4.6.4 4.6.4 起降性能起降性能起降性能起降性能 4.6.3 4.6.3 续航性能续航性能续航性能续航性能 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 4.6.1 回目录页 速度快是飞机的最大特点之一。 最主要的飞机速度性能指标包括： 速度快是飞机的最大特点之一。 最主要的飞机速度性能指标包括： 最大平飞速度最大平飞速度最大平飞速度最大平飞速度 巡航速度巡航速度巡航速度巡航速度 最小平飞速度最小平飞速度最小平飞速度最小平飞速度 4.6.1 速度性能速度性能 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 最大平飞速度最大平飞速度 回目录页 最大平飞速度是指飞机在某一高度上 作水平飞行时，发动机以最大可用推力工 作而飞机所能达到的最大飞行速度，通常 简称为最大速度，以 最大平飞速度是指飞机在某一高度上 作水平飞行时，发动机以最大可用推力工 作而飞机所能达到的最大飞行速度，通常 简称为最大速度，以vmax表示。 由于飞机的阻力和发动机的推力均与 飞行高度有关，所以在不同的高度上飞机 的最大平飞速度是不相同的。 表示。 由于飞机的阻力和发动机的推力均与 飞行高度有关，所以在不同的高度上飞机 的最大平飞速度是不相同的。 上一页 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 巡航速度巡航速度 回目录页 巡航速度是指发动机在每公里消耗燃 油最少的情况下飞机的飞行速度。 这个速度一般为飞机最大平飞速度的 7080，以巡航速度飞行时最经济而 且飞机的航程最大。 巡航速度是指发动机在每公里消耗燃 油最少的情况下飞机的飞行速度。 这个速度一般为飞机最大平飞速度的 7080，以巡航速度飞行时最经济而 且飞机的航程最大。 上一页 f-22隐身超音速巡航战斗机隐身超音速巡航战斗机 航空航天概论 第四章 飞机飞行的基本原理 最小平飞速度最小平飞速度 回目录页 最小平飞速度是指飞机在某一飞行高 度上维持定常水平飞行的最小速度，通常 以 最小平飞速度是指飞机在某一飞行高 度上维持定常水平飞行的最小速度，通常 以vmin表示。 飞机的最小平飞速度的大小，对飞机