航空概论2-12 升力和阻力的产生

升力和阻力的产生 主要内容升力和阻力的产生 升力 阻力 影响升力和阻力的因素 第二节升力和阻力的产生一 总空气动力 总空气动力 飞机各部分在飞行中所受到的空气动力总和 用R表示 升力主要由机翼产生 升力 R在垂直与气流方向上的分量 用Y表示 阻力 R在平行气流方向的分量 用X表示 二 机翼的形状 机翼的几何参数常见翼型形式翼型的几何参数机翼的平面形状机翼平面形状的几何参数 一 机翼的几何参数 翼型 机翼横向剖面的外形 常见翼型形式 翼型的几何参数 弦长b 连接前缘与后缘的连线 厚度C 上下翼面垂直于翼弦的长度弯度f 翼型厚度中点连线与翼弦之间的最大距离 二 机翼的平面形状 机翼平面形状的几何参数 翼展 l 机翼左右两端之间的距离 展弦比 翼展与机翼的几何平均翼弦之比 l b平b平 s ls为机翼面积后掠角 x 机翼前缘和垂直机身对称面的直线之间的夹角 上反角 飞机处于水平状态时 机翼与水平面的夹角 上反角与下反角 具有上反角布局的F 86 下反角布局的伊尔 76 可变后掠角飞机 F111 变后掠角飞机F 14 前掠角布局的苏 47 三 升力任何航空器都必须产生大于自身重力的升力才能升空飞行 这是航空器飞行的基本原理 前面我们提到 航空器可分为轻于空的航空器和重于空气的航空器两大类 轻于空气的航空器如气球 飞艇等 其主要部分是一个大大的气囊 中间充以比空气密度小的气体 如热空气 氢气等 这样就如同我们小时候的玩具氢气球一样 可以依靠空气的静浮力升上空中 然而 对于重于空气的航空器如飞机 又是靠什么力量飞上天空的呢 相信大家小时候都玩过风筝或是竹蜻蜓 这两种小小的玩意构造十分简单 但却蕴含着深刻的飞行原理 当飞机的机翼为对称形状 气流沿着机翼对称轴流动时 由于机翼两个表面的形状一样 因而气流速度一样 所产生的压力也一样 此时机翼不产生升力 但是当对称机翼以一定的倾斜角 称为攻角或迎角 在空气中运动时 就会出现与非对称机翼类似的流动现象 使得上下表面的压力不一致 从而也会产生升力 升力的产生 四 阻力从产生阻力的不同原因来说 飞机所受的阻力可以分为摩擦阻力 压差阻力 诱导阻力 干扰阻力 激波阻力等 1 摩擦阻力当两个物体相互滑动的时候 在两个物体上就会产生与运动方向相反的力 阻止两个物体的运动 这就是物体之间的摩擦阻力 当飞机在空气中飞行时 飞机也会受到空气的摩擦阻力 飞机的摩擦阻力是因为空气的粘性造成的 2 诱导阻力当飞机飞行时 下翼面压强大 上翼面压强小 由于翼展的长度是有限的 所以上下翼面的压强差使得气流从下翼面绕过两端翼尖 向上翼面流动 当气流绕流过翼尖时 在翼尖那儿不断形成旋涡 旋涡就是旋转的空气团 随着飞机向前方飞行 旋涡就从翼尖向后方流动 并产生了向下的下洗速 w 下洗速在两个翼尖处最大 向中心逐渐减小 在中心处减到最小 这是因为旋涡可以诱导四周的空气随之旋转 而这又是由于空气粘性所起的作用 空气在旋转时 越靠内圈 旋转得越快 越靠外圈 旋转得越慢 因此 离翼尖越远 气流垂直向下的下洗速就越小 图示的就是某一个翼剖面上的下洗速度 它与原来相对速度v组成了合速度u u与v的夹角就是下洗角a1 下洗角使得原来的冲角a减小了 它的方向与飞机飞行方向相反 所起的作用是阻拦飞机的前进 实际上是一种阻力 这种阻力是由举力的诱导而产生的 因此叫做 诱导阻力 它是由于气流下洗使原来的举力偏转而引起的附加阻力 并不包含在翼型阻力之内 诱导阻力同机翼的平面形状 翼剖面形状 展弦比 特别是同举力有关 3 压差阻力 压差阻力 的产生是由于运动着的物体前后所形成的压强差所形成的 压强差所产生的阻力 就是 压差阻力 飞机在飞行中 空气在机翼前缘处受到阻挡 速度减慢 压力增大 在机翼后缘由于气体分离形成涡流区 压力减小 采用流线型布局是减小压差阻力的方法 压差阻力同物体的迎风面积 形状和在气流中的位置都有很大的关系 形状相同的物体的最大迎风面积越大 压差阻力也就越大 物体形状对压差阻力也有很大的作用 物体上的摩擦阻力和压差阻力合起来叫 迎面阻力 一个物体 究竟哪一种阻力占主要部分 这要取决于物体的形状和位置 如果是流线体 那么它的迎面阻力中主要部分是摩擦阻力 如果形状远离流线体的式样 那么压差阻力占主要部分 摩擦阻力则居次要位置 而且总的迎面阻力也大 4 激波阻力飞机在空气中飞行时 前端对空气产生扰动 这个扰动以扰动波的形式以音速传播 当飞机的速度小于音速时 扰动波的传播速度大于飞机前进速度 因此它的传播方式为四面八方 而当物体以音速或超音速运动时 扰动波的传播速度等于或小于飞机前进速度 这样 后续时间的扰动就会同已有的扰动波叠加在一起 形成较强的波 空气遭到强烈的压缩 而形成了激波 阻力对于飞机的飞行性能有很大的影响 特别是在高速飞行时 激波和波阻的产生 对飞机的飞行性能的影响更大 这是因为波阻的数值很大 能够消耗发动机一大部分动力 波阻的大小同激波的形状有关 而激波的形状在飞行M数不变的情况下 又主要决定于物体或飞机的形状 特别是头部的形状 按相对于飞行速度 或气流速度 成垂直或成偏斜的状态 有正激波和斜激波两种不同的形状 成垂直的是正激波 成偏斜的是斜激波 在飞行M数超过1时 如果物体的头部尖削 象矛头或刀刃似的 形成的是斜激波 如果物体的头部是方楞的或圆钝的 在物体的前面形成的则是正激波 正激波沿着上下两端逐渐倾斜 而在远处成为斜激波 最后逐渐减弱成为弱扰动的边界波 斜激波的情况也是一样的 到末端也逐渐减弱而转化为边界波 在正激波之后的一小块空间 气流穿过正激波 消耗的动能很大 总是由超音速降低到亚音速 在这里形成一个亚音速区 M数的大小也对激波的形状有影响 当M数等于1或稍大于1时 在尖头 如炮弹 物体前面形成的是正激波 如果M数超过1相当多 形成的则是斜激波 正激波的波阻要比斜激波大 因为在正激波下 空气被压缩得很厉害 激波后的空气压强和密度上升的最高 激波的强度最大 当超音速气流通过时 空气微团受到的阻滞最强烈 速度大大降低 动能消耗很大 这表明产生的波阻很大 相反的 斜激波对气流的阻滞较小 气流速度降低不多 动能的消耗也较小 因而波阻也较小 斜激波倾斜的越厉害 波阻就越小 5 干扰阻力所谓 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阻力 如图所示 气流流过机翼和机身的连接处 由于机翼和机身二者形状的关系 在这里形成了一个气流的通道 在A处气流通道的截面积比较大 到C点翼面最圆拱的地方 气流通道收缩到最小 随后到B处又逐渐扩大 根据流体的连续性定理和伯努利定理 C处的速度大而压强小 B处的速度小而压强大 所以在CB一段通道中 气流有从高压区B回流到低压区C的趋势 这就形成了一股逆流 但飞机前进不断有气流沿通道向后流 遇到了后面的这股逆流就形成了气流的阻塞现象 使得气流开始分离 而产生了很多旋涡 这些旋涡表明气流的动能有了消耗 因而产生了一种额外的阻力 这一阻力是气流互相干扰而产生的 所以叫做 干扰阻力 不但在机翼和机身之间可能产生干扰阻力 而且在机身和尾翼连接处 机翼和发动机短舱连接处 也都可能产生 从干扰阻力产生的原因来看 它显然和飞机不同部件之间的相对位置有关 如果在设计飞机时 仔细考虑它们的相对位置 使得它们压强的增加不大也不急剧 干扰阻力就可减小 另外 还可以采取在不同部件的连接处加装流线型的 整流片 的办法 使连接处圆滑过渡 尽可能减少漩涡的产生 也可减少 干扰阻力 五 影响升力和阻力的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 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 空气密度大 空气动力大 升力和阻力自然也大 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