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飞机如何飞上蓝天？ 由于商务的原因，我会经常做空中旅行。对我而言，飞机是我每天见到的最不可思议的“神奇”事物之一。当我登上波音747，这种可以装载500或600人、 起飞重量达394,625公斤的庞然大物时，看着它缓缓滑过跑道，接着好像受到某种魔力一般腾空而起，冲入云霄，不间断地连续飞行13,000公里，会感觉这真是难以置信！如果您曾为此疑惑是什么力量让一架庞大的747或者任何一种其他的飞行器自由翱翔，那么请继续我们的旅程。在本文中，我们将了解关于飞行的一些基本理论，熟悉一架标准飞机的各个不同部分，然后还可以通过大量链接学习更多知识，相信您一定会满载而归。飞机怎样利用空气动力飞行？在我们开始研究机翼是如何将飞机托在空中之前，首先需要了解以下四种基本作用力：升力、重力、推力以及阻力。 直线水平飞行 为了让飞机保持水平直线飞行，必须满足以下两个关系式： 推力阻力 升力重力 如果由于某种原因，阻力值变得大于推力值，飞机就会减速；假使推力增大，飞机则会加速。与此类似，如果升力减小到小于飞机的重量，飞机会下降；而增加升力值，飞行员就会让飞机爬升。推力推力是飞机为了克服阻力而必须受到的一种气动力（请注意：上图中推力与阻力的作用方向相反）。飞机可以用螺旋桨、喷气引擎或火箭产生推力。在上图中，飞机的推力是由螺旋桨（相当于一个大功率风扇）产生的，将气流向后推过桨叶。现在，让我们看一下阻力。飞机怎样减小阻力？ 阻力是一种阻碍物体在流体中运动的空气动力（空气和水都属于流体）。如果您在汽车行驶过程中将手伸出车窗，就会体验到阻力效应的一个小小的实证。您的手产生的阻力值取决于多种因素，譬如：手的大小、当时的车速还有空气密度。如果您将汽车减速，自然也会感觉到手上的阻力减小。我们再来看另一个减小阻力的例子。在冬季奥运会上，当我们观察滑雪运动员从山上滑下时， 您会注意到：无论什么时候，他们都尽可能将自己的身体压低。运动员正是通过将自己“变小”这一方式，有效地减小了自身造成的阻力，从而更快地滑向终点。也许您曾感到好奇：为什么一架客机在起飞之后，总是把起落架（机轮）收至机身内。答案您可能已经猜到了，这是为了减小阻力。就像山上的滑雪者，飞行员也希望尽量减少飞机的截面积以减小阻力。 一架喷气式飞机起落架所产生的阻力相当大，因此在处于巡航状态时，起落架必须正确地收入机身内。那么，另外两种空气动力重力和升力又如何呢？飞机的重力和升力 波音747-400技术规格 长：约71米 高：约19米 翼展：约64米 机翼面积：约525平方米 最大起飞重量：约394,625公斤 最大着陆重量：约285,763公斤（这也解释了为什么在紧急迫降时飞机可能需要倾倒燃料） 发动机：四台涡轮风扇喷气发动机，每台发动机可产生25,855公斤的推力 燃料容量：最多可达约215,768升 最大航程：13,334公里 巡航速度：906公里/小时 起飞距离：约3,200米 重力重力是最简单的。地球上所有的物体都有重量，包括空气。 一架波音747重达394,625公斤，那可是435吨啊！但它仍然可以成功飞离地面。 升力升力是飞机得以在空中翱翔所必须受到的一种空气动力，也是这四种力中必须用数学理论才能解释清楚的一种气动力。在飞机上，绝大多数升力是由机翼提供的，尽管也有部分升力是由飞机结构的其他部分提供。在空气动力学中，一个重要的概念就是：空气是一种流体。 让我们更详尽地了解这一概念。为什么太空飞行器没有机翼结构？ 正如我们所说的，空气动力学中一个重要的概念就是空气是一种流体。像所有气体一样，空气以一种与水和其他液体极其相似的方式流动和运行。尽管空气、水、番茄酱这些物质看上去截然不同，却遵循着近乎相同的数学关系。事实上，基本的空气动力学试验有时也是在水下进行的。 还有另一个很重要的概念：升力只存在于处于流动状态的流体中。这也同样适用于阻力。并且，“物体静止，流体运动”与“流体静止，物体运动”这二者在本质上也是一样的。真正的关键在于物体与流体相对运动的速度值。因此，无论升力还是阻力，都不会存在于太空中，因为真空中没有流体。这也解释了为什么太空飞行器一般无需机翼结构，除非它有部分时间需要在大气中活动。航天飞机就是一个很好的例子，航天器的大部分时间在外层空间活动，那里没有空气自然也无法产生升力。然而，当它重返地球的大气层时，它那短而有力的机翼就会产生足够的升力，帮助它完成一个优美的下滑过程，并且安全着陆。关于升力的著名理论 阅读任何大学程度的空气动力学课本，您会发现大量计算升力的数学方法。遗憾的是，除非您拥有数学博士学位，否则没有任何一种解释会令您完全满意。 在互联网和一些教科书中也有许多关于升力的简单解释。现在两种最著名的解释就是Longer Path理论（也即伯努利或等时段理论）和牛顿理论（也称为动量传递或空气偏转理论）。尽管这些理论在基础上就存在缺陷，但仍可以为升力的形成原理做出一个直观的解释。Longer Path理论 Longer Path理论什么？Longer Path理论认为机翼上表面比下表面更为弯曲。从机翼前缘过来的空气粒子必须从机翼上表面或者下表面流过。我们假设两个邻近的粒子在前缘处分开，然后在机翼的后缘处重新汇合。 因为在相同的时间内从上表面流过的粒子经过的路径更长，因而其速度必然更快。根据作为流体动力学基础的伯努利方程：当流体的速度增加时，其压强会减小。Longer Path理论据此推论：上表面的空气运动速度较快，会产生一个较低的压强；而下表面的空气运动速度较慢，因而产生一个相对较高的压强。本质上，正是这种压强差使机翼产生“上吸”的效果（或根据观看角度的不同，也可看作产生“上推”的效果）。为什么这个理论不完全正确？尽管这在高校教科书甚至百科全书上都是一种常见的理论，但该理论仍然存在一些缺陷：1. 以上描述中，对两个空气粒子在机翼后缘处重新汇合的假设是缺乏根据的。事实上，这两个粒子彼此之间并不“知道”对方的存在，而对于这些粒子为何必须准确无误地在机翼后缘处汇合，也不存在逻辑上的必然联系。 2. 对许多翼型来说，上表面比下表面要长。但是，也有许多翼型是对称的（上表面和下表面的形状相同）。 这种理论也预言飞机不能“倒立”飞行，但我们知道很多飞机具有这种能力。 为什么这种理论并非全错？Longer Path理论在很多情况下是正确的。首先，机翼上表面的空气确实比下表面的空气运动得快事实上，这个速度比上表面和下表面空气粒子汇合所需要的速度（许多人这样假设）还要快。其次，产生升力的机翼上表面的总压强比下表面的总压强低，正是这种净压差产生了升力。这是什么？ 按照艾萨克牛顿的理论，两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反、作用在一条直线上（牛顿第三定律）。观看溜冰场上两个溜冰者之间的相互作用，可以清楚地了解这一原理。如果其中一个人推另一个人，他们都会移动一个因为作用力，另一个人则是因为反作用力。17世纪末期，艾萨克牛顿发表理论，认为气体分子的作用原理与单个粒子相似，撞击到机翼下表面的空气会像射击到金属板上的猎枪子弹一样弹回。每个单独的粒子都从机翼下表面弹回，并向下偏转。随着粒子不断撞击机翼下表面，它们将一部分动量传递给机翼，而每一个分子的撞击都会逐渐地将机翼向上推起。注意：事实上，牛顿的流体理论在海战方面获得了发展，用以减少轮船在水中航行时遇到的阻力目标是建造速度更快的战舰，而非更好的飞机。但这个理论仍是适用的，因为水和空气都属于流体。为什么这个理论不完全正确？牛顿学说的解释提供了一个直观图示，说明机翼如何使流经它的气流改变方向，但有几处例外：1. 图示中完全没有包括机翼上表面。机翼上表面对于改变气流流动作用非常大。如果只考虑机翼下表面，计算得出的升力结果很不准确。 2. 在牛顿船体理论之后大约一百年，莱昂哈德欧拉观察到，流向一个物体的流体在到达物体表面前实际上已发生了偏转，所以它根本没有机会从表面上弹回。似乎空气和单个猎枪子弹的作用原理毫不相干。相反，气体分子之间会相互作用和相互影响，而其作用和影响方式是难以用简化的方式来描述的。这种影响也远远超出了机翼附近的气流范围。 为什么这种理论并非全错？尽管纯粹的牛顿学说理论在正常飞行条件下（如喷气式客机）不能计算出准确的升力值，但针对于某些飞行状态仍可以很好地计算出升力。对于极超音速飞行状态（超过音速五倍的速度），牛顿理论非常适用。在速度高而空气密度低的情况下，气体分子的作用原理与牛顿所言的子弹作用原理极为相似。航天飞机在再入段就是在这种条件下工作的。与Longer Path理论不同，牛顿学说认为当空气流经机翼时会发生向下偏离。尽管这可能无法归因于分子从机翼下表面弹回，但气流确实发生了向下偏转，导致产生下洗这一物理现象（请参见NASA: Glenn Research Center以了解有关“下洗”的更多信息）。升力是如何产生的？ 流体运动所产生的压力差升力是浸入流体中的机翼（或者任何其他固体）所受到的一种作用力，它更多考虑意识到这一点很重要：机翼的上、下表面都对升力有非常重大的贡献，这不同于我们先前所介绍的那两种理论。虽然这两种理论并不完美，但都有一定的有效性和合理性。其他的一些理论或解释坚持认为：不同的压力分布导致了气流偏离。更有人恰好持相反的观点，认为是气流偏离导致了不同的压力分布。不管是哪种情况，这一切都清楚表明：这不是一个仅凭某些简单理论就可以轻易解释的课题。同样地，在航空史上，准确地计算出机翼产生的升力值，无论是对于工程师还是设计人员来说，都是一项极富挑战性的任务。事实上，多年来我们仍然严重地依赖七八十年代以前所收集的那些试验数据，用以辅助进行翼型的初始化设计。的方向始终与来流方向垂直。阻力与之类似，但是其作用力方向与来流平行。合力来自于机翼周围各点处因空气速度不同而导致的压差，而这些速度的变化缘于流过机翼时空气的分裂与旋转。作用在一种典型翼型上的标准压力分布如下图所示：A.接近翼型上表面的空气在向上运动时会被压缩到上部的空气中，当翼型向下弯曲并远离气流时，会形成一个低压区，上面的气流被向下拉动并流向翼型后部。B.接近翼型下表面的空气被压缩、减慢速度、转而沿一个向下的路径运动。当空气接近翼型尾部时，它的速度和压力会逐渐与从翼型上方流过的气流匹配。机翼下表面总的压力效应一般来说没有上表面那样显著。 C.升力分量D.合力E.阻力分量当把作用在机翼上的所有压力求和时，就可得到机翼上的合力。这个力的一部分将机翼举起（升力分量），其余的力迫使机翼减速（阻力分量）。当随着翼型改变流向的气流流量增加时，上、下表面的速度和压力差也变得更为显著，这会增加升力的值。有很多方法可以增加机翼的升力值，譬如增大攻角、增加流速等。这些将在本文的后半部分进行更为详细的论述。升力的计算方法 1915年，美国国会建立了国家航空咨询委员会（NACA），也就是美国国家航空航天局（NASA）的前身。在20世纪20、30年代，NACA对数百种机翼翼型（机翼截面）进行了大规模的风洞测试。搜集的数据让工程师们能够准确计算出各种翼型在不同飞行条件下的升力值和阻力值。机翼的升力系数值与气流速度、空气密度、机翼面积、攻角都有关。攻角就是翼型方向和来流方向的夹角，在本文的后面我们会更详细地讨论攻角。给定的翼型的升力系数取决于攻角。NASA供图NACA翼型的升力曲线下面给出一个标准的使用升力系数计算升力的方程： L=lift（升力）Cl=lift coefficient（升力系数）（rho）=air density（空气密度）V=air velocity（流速）A=wing area（机翼面积）举个例子，让我们计算一架翼展12米、弦长1.2米（机翼面积=15平方米）的飞机升力。它在以161公里/小时的速度在海平面上飞行，这个数度相当于每秒飞行45米。让我们假设机翼采用等截面的NACA 1408翼型，飞机机翼的攻角是4度。我们知道： A=15平方米 （rho）=1.2公斤/立方米（标准状态下的海平面） V=45米/秒 Cl=0.55（NACA1408翼型、攻角为4度时的升力系数） 这样我们就计算出了升力： 升力=0.55x.5x.0023769x147x147x160 升力=1025公斤 你也可以在NASA的官方网站上通过一个虚拟的风洞试验进行翼型设计。用计算机模拟技术计算升力 在NACA完成这些气动试验数据收集之后的很多年里，工程师们都是大量使用这些数据来计算流体中的机翼或者其他物体所受到的升力和其他气动力。近些年来，由于计算机技术的快速发展，一些风洞试验甚至可以在一台普通的个人电脑上实现模拟。软件程序中，譬如FLUENT软件已经发展至可以模拟流体的流动，并使固体物体完全浸没在其中。这个软件的应用范围非常广，从模拟吹过机翼的空气到绘制电脑机箱内吹过的气流（以确保有足够的冷空气经过CPU，防止CPU过热），不一而足。机翼翼型 了解一些关于机翼的有趣事实也有利于更好地理解它们是如何工作的。翼型、攻角、襟翼、缝翼、旋转表面、吹气表面，这些都是需要考虑的重要因素。 让我们从翼型开始。翼型我们前面所讨论的“标准”翼型，并不是机翼仅有的形式。譬如，无论是特技飞行飞机（就是那种在航展上可以长时间表演倒飞的飞机）还是超音速飞机，它们的翼型都和想象中有些不同：上面的翼型是一种典型的特技飞行飞机的翼型，而下面的那种则适用于超音速战斗机。注意它们上、下表面是对称的。特技飞行飞机和超音速喷气机都是完全依靠机翼的攻角获取升力的。机翼攻角 攻角是机翼与来流方向之间的夹角，控制着机翼表面附面层的厚度。正是由于它控制着附面层，所以攻角也控制着机翼所产生的升力值，尽管这并非唯一的因素。 0度攻角小攻角大攻角襟翼 一般来说，大多数飞机的机翼是用来提供一个适当的升力值和一个尽可能小的阻力值以便飞机在巡航状态下飞行。对于一架B747400来说，巡航速度大约为901公里/小时。但是当这些飞机起飞和降落时，它们的速度要降低到322公里/小时以下。这种机翼工作状况的戏剧性变化意味着：一个可变翼型可能会更加适合于这架飞机。为了适应各种飞行条件，从高空高速到低空低速，飞机机翼上会有可移动的部分，我们称其为襟翼。起飞和降落的过程中，襟翼会从机翼的后缘向下、向后伸展开来。这会有效地改变机翼的翼型，使机翼上可以流过更多的空气，从而创造更大的升力。这种改变带来的副作用就是阻力也会增大，所以襟翼在其他飞行时间内都是处于缩进态的。缝翼 缝翼扮演着与襟翼相类似的作用，那就是它们都会临时性地改变翼型以求增加升力。但是缝翼是连接在机翼前缘的，而非像襟翼那样处于后缘。它们同样是在飞机起降的时候展开。 马格努斯效应 由以上所了解的有关机翼和升力的一些知识，似乎可以得出一个很符合逻辑的结论：一个在运动流体中的简单圆柱体是不可能产生任何升力的（想象一下机翼的剖面犹如纸管截面一般）。 在一个简单化的世界中，空气会环绕圆柱体的整个表面运动，并且时刻不停地进行着。事实上，下游气流会变得有些紊乱而无序，但仍然不会产生升力。但是，假使我们开始将圆柱体旋转，如下图所示，圆柱体的表面就会迟滞附着在它表面的空气层。最终结果就是产生了上、下表面的压力差，并且使气流下偏。由牛顿第三运动定律，气流被向下改向，圆柱体必然要向上偏离，这不正是升力吗？以上是马格努斯效应（也被称为Robbins效应）的一个例子，它们在旋转的球体和圆柱体上的解释都是正确的。（能在此看出和曲线球的相似之处吗？）不管您相信与否，在1926年，Anton Flettner建造了一艘名为Bruckau的船，就是采用大量旋转的圆柱体而非船帆作为动力，并且横跨了大洋。单击此处了解Flettner的旋翼船。飞机上的柯恩达效应 让我们继续使用上面例子中的圆柱体翼型，并且去寻找另一种产生升力的方法。如果您曾经把手背垂直放在水龙头的正下方，您会发现水并非简单地落在手上然后滴下来，相反，它们在滴入水池前会环绕手的边缘甚至发生逆流（几毫米）。这被称为柯恩达效应（以Henri Coanda的名字命名），这种观点可描述为：流体总是倾向于顺着它所接触到的弯曲表面的轮廓流动。 在我们的圆柱体例子中，如果有股气流被强迫着从圆柱体顶部后面的一个狭长缝隙中吹出，它将会包裹住圆柱体的后端，并且拖住其周围的气体。这与马格努斯效应很相似，只不过圆柱体自身没有旋转。柯恩达效应可应用于专门的环境下，以增加由襟翼所提供的额外升力的值。机翼或者襟翼上方的狭缝中将喷出压缩空气以提供额外的升力，而不是仅仅改变翼型。不管您相信与否，在1990年，麦道直升机公司（MD Helicopters, Inc.）去除了部分直升机的尾桨，而取代它们的竟然就是滚筒。这不是传统的那种依靠尾部螺旋桨来操纵直升机的方式，而是在尾桁上增压使空气从狭缝中吹出，如上图所示。飞机起落架 机翼显然是飞机上最为重要的部件，正是它使飞机在天空飞翔。此外飞机还有许多其他典型结构，用以控制飞机或让飞机运动。我们来看一架Cessna 152，以更好地了解飞机的这些