飞行器飞行原理

第二章飞行器飞行原理,航空航天概论,厦门大学航空航天学院,2.1飞行环境,飞行环境包括大气环境和空间环境,2.1.1大气环境1.对流层2.平流层3.中间层（高空对流层）4.热层5.散逸层（外大气层）,航空器的飞行环境主要是对流层和平流层。,航空器飞行环境,臭氧层吸收太阳紫外线,地面辐射热量,平流层热量,99.9%大气质量,90%大气质量,太阳短波辐射,20003000公里,大气外层顶界,国际空间站平均高度360公里,哈勃太空望远镜平均轨道高度569公里,2.1飞行环境,2.1.1大气的物理性质,大气的状态由参数确定，其关系由状态方程表示：2.连续性3.黏性大气相邻流动层间产生的摩擦力。不同的流体黏性不同，黏性大小用内摩擦系数衡量。流体黏性和温度有关，气体温度升高，黏性增大。液体相反。4.可压缩性当气体的压强改变时，其密度和体积也改变，为气体可压缩性。5.声速振动的声源在介质中传播时产生的疏密波。空气中约为340m/s。介质可压缩性越大，声速越小。,2.1飞行环境,6.国际标准大气飞行器飞行性能和大气物理状态有关，而大气物理状态与其地理位置、季节和高度相关。为对飞行器的性能进行研究和对比，目前我国采用的国际标准大气。大气被看成完全气体，服从气体状态方程；以海平面高度为零高度。在海平面状态为：气温15度，压强为一个标准大气压，密度为1.225kg/m2，声速为341m/s。,2.1飞行环境,7.空间环境真空、电磁辐射、高能粒子辐射、等离子体和微流星体组成的飞行环境，是航天器的主要环境。地球空间环境、行星际空间环境和恒星际空间环境,2.2气体流动基本规律,气体流过物体时其物理量的变化规律与作用在物体上的空气动力有密切关系。,2.2.1相对运动原理飞机产生的空气动力与飞机和空气间的相对运动速度有很大关系。,空气相对飞机的运动称为相对气流。相对气流的方向与飞机运动方向相反。只要相对气流速度相同，产生的空气动力也就相等。将飞机的飞行转换为空气的流动，使空气动力问题的研究得到简化。,2.2气体流动基本规律,1.流体流动的连续性定理可压缩流体沿管道流动的连续性方程,不可压缩流体沿管道流动的连续性方程,2.2.2.连续性定理和伯努力定理,不可压缩流体流过管道时，流速与截面面积成反比,2.2气体流动基本规律,2.伯努利定理（1738年）伯努利定理是能量守恒定律在流体中的应用。伯努利定理描述了流体在流动过程中流体压强和速度之间的流动关系。,丹尼尔伯努利,不可压缩理想流体的伯努力方程,连续性定理和伯努力方程是分析和研究飞机上空气动力产生的物理原因及其变化规律的基本定理。,2.2气体流动基本规律,2.2气体流动基本规律,3.低速气流和高速气流的流动特点（1）低速气流特点流动过程中近似认为不可压缩。管道收缩速度增大，静压减小。（2）高速气流特点高速飞行中，气流速度变化引起空气密度发生变化，从而引起空气动力发生变化，必须考虑空气的可压缩性。特别对于高速气流。空气可压缩性和空气密度和施加的空气压力有关。空气的密度和声速有关，施加于空气的压力与在空气中运动的物体速度有关，速度越大，施加给空气的压力越大。衡量空气被压缩的程度用马赫数（Ma）表示：,2.2气体流动基本规律,超声速气流在变截面管道中流动情况和低速气流相反。收缩管道超声速气流减速、增压；扩张形管道使超声速气流增速、减压。原因：截面积变化引起的密度的变化比截面积变化引起速度的变化快得多，密度变化占主导地位。总之，在亚声速气流中，流速增大，管道截面面积必然减小；而在超声速气流中，随着流速增大，管道截面面积必然增大。要使气流由亚声速加速到超声速，除了沿气流方向要有一定的压力差外，还应具有一定的管道形状，即先收缩后扩张的拉瓦尔管形状。,2.2气体流动基本规律,2.2气体流动基本规律,2.3飞机飞行原理,作用在飞机上的空气动力包括升力和阻力。,2.3.1平板上的空气动力1.平板剖面与相对气流夹角为零无垂直于气流的升力。2.平板剖面与相对气流夹角为90度,2.3飞机飞行原理,3.平板剖面与相对气流速度成一定夹角,2.3飞机飞行原理,2.3.2机翼升力的产生和增升装置,翼型的定义：,2.3飞机飞行原理,翼型按速度分：,翼型按形状分：,2.3飞机飞行原理,翼型几何参数：,翼弦：前缘和后缘之间的连线。迎角：翼弦与相对气流速度之间的夹角。,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,在一定范围内，迎角大，升力大。当迎角达到一定程度，气流会从机翼前缘开始分离，尾部出现很大的涡流区，致使升力突然下降，阻力迅速增大，出现失速。临界迎角：失速刚出现时的迎角。,飞机不应以接近或大于临界迎角的状态飞行。,升力的大小与翼型形状和迎角大小有很大关系。不对称的流线型翼型在迎角为零时仍可产生升力。,2.影响飞机升力的因素（1）机翼面积的影响机翼机翼面积应包括同机翼相连的部分面积。升力与机翼面积成正比。（2）相对速度的影响速度越大，空气动力越大，机翼上产生的升力也越大。升力与相对速度的平方成正比。（3）空气密度的影响升力大小与空气密度成正比。（4）机翼剖面形状和迎角的影响机翼剖面形状和迎角不同，产生的升力也不同，其影响通过升力系数体现。升力系数起初随迎角增大而增大，但当迎角达到一定值后，会骤降，出现失速。综合各项因素，升力公式为：,2.3飞机飞行原理,3.增升装置（1）改变机翼剖面形状，增大机翼弯度；（2）增大机翼面积；（3）改变气流动的流动状态，控制机翼上的附面层，延缓气流分离；飞机的增升装置通常安装在机翼的前缘和后缘部位。类型：前缘襟翼，后缘襟翼，前缘缝翼；控制附面层。,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,简单后缘襟翼缺点：当它向下偏转时，虽然能够增大上翼面气流的流速，从而增大升力系数，但同时也使得机翼前缘处气流的局部迎角增大，当飞机以大迎角飞行时，容易导致机翼前缘上部发生局部的气流分离，使飞机的性能变坏。,机翼升力的产生和增升装置,机翼升力的产生和增升装置,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,控制附面层增升装置,原理：通过延缓附面层分离，起到增升作用。,“鹞”式垂直起降飞机和F4、米格21轻型战斗机使用了喷气襟翼。,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,A.涡流发生器：涡流发生器是以某一安装角垂直地安装在机体表面上的小展弦比小机翼，所以它在迎面气流中和常规机翼一样能产生翼尖涡，但是由于其展弦比小，因此翼尖涡的强度相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后，就把能量传递给了边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不致分离。作用：将外界气流的能量不断输入附面层，增加附面层流动速度，推迟气流分离。,2.3飞机飞行原理,3.涡流发生器和翼刀,B.翼刀装置：一般的平直翼和后掠翼，机翼上表面的气流会自动向翼梢流动，相应的，附面层也会逐渐向翼梢堆积。这些气流最终会在翼梢分离，从而降低飞机的升力。此外，气流在翼梢的分离会造成很大的滚转力矩，容易使飞机进入尾旋。这种状况在大后掠角机翼上尤为明显。若在机翼的上表面，沿着翼弦的方向放置具有一定高度的挡板，就可以阻碍上翼面的附面层向翼梢移动，从而阻止或者延缓分离的发生。作用：后掠翼飞机减小翼梢涡流和附面层厚度。,2.3飞机飞行原理,2.3.3飞机阻力的产生和减阻措施,飞机机翼产生的空气动力包括升力和气动阻力。低速飞机受到的阻力分为：摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、和干扰阻力。摩擦阻力,2.3飞机飞行原理,2.压差阻力,2.3飞机飞行原理,可通过增大展弦比、适当平面形状、增加翼梢小翼等来减小诱导阻力。,3.诱导阻力,2.3飞机飞行原理,4.干扰阻力,2.3飞机飞行原理,2.3.4高速飞行空气动力特点,1.激波和激波阻力（波阻）,不同飞行速度下声音（弱扰动波）的传播,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,高速飞行阻力特点,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,超声速飞行声爆,2.3飞机飞行原理,超声速飞行热障,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,美国SR-71的机体结构的93%采用钛合金越过热障，达到3.3倍音速。,航空气器的防热方法：采用耐高温的新材料，如钛合金、不锈钢或复合材料来制造飞机的重要受力构件和蒙皮；用隔热层来保护机内设备和人员；采用冷却液冷却结构内表面。,2.3飞机飞行原理,应用：烧蚀法适用于不重复使用的飞船、卫星等。,材料：石墨、陶瓷等。高温下的热解和相变：固液，固气，液气。,航天器的防热方法：,2.3飞机飞行原理,可重复使用的放热材料,用于像航天飞机类似的可重复使用的航天器的防热。根据航天器表面不同温度的区域，采用相应的可重复使用的防热材料。例如：机身头部、机翼前缘温度最高，采用增强碳碳复合材料，温度可耐受1593度；机身、机翼下表面前部和垂尾前缘温度高，可采用防热隔热陶瓷材料；机身、机翼上表面前部和垂尾前缘气动加热不是特别严重处，可采用防热隔热的陶瓷瓦材料；机身中后部两侧和有效载荷舱门处，温度相对较低（约350度），可采用柔性的表面隔热材料；对于温度最高的区域，采用热管冷却和强制循环冷却和发汗冷却等。,2.3.5超声速飞机的气动外形,超声速飞机的气动外形，广义上讲是指飞机主要部件的数量以及他们之间安排和配置。,不同的布局型式对飞机的飞行性能、稳定性和操纵性有重大影响。,2.3飞机飞行原理,1.飞机气动布局,机翼几何参数,2.飞机的几何外形和参数,机翼平面形状主要参数：翼展、翼弦、前缘后掠角等。影响飞机气动主要参数：前缘后掠角、展弦比、梢根比、翼型相对厚度。,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,不同的翼剖面形状,2.3飞机飞行原理,3.超声速飞机的气动外形,2.3飞机飞行原理,A.超声速飞机的翼型特点,（a）双弧形；（b）棱形；（c）楔形；（d）双菱形,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,B.超声速飞机的机翼平面形状和布局形式,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,B-1Lancer轰炸机,F-14Tomcat舰载机,米格-23,2.3飞机飞行原理,边条涡,超声速飞机的气动外形,2.3飞机飞行原理,G,鸭翼升力,机翼升力,G,机翼升力,尾翼升力,鸭翼产生的脱体漩涡,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,2.3飞机飞行原理,（8）前掠翼,机翼前、后缘向前伸展（前掠）的飞机。它的梢弦在根弦的前面，左右翼俯视投影形成一个V字。前掠翼是和后掠翼同时提出的，两者推迟激波产生的原理是完全相同的。,优点：机翼和机身更好的连接；亚音速机动能力好；升力大；可控性好。,缺点：在气动发散问题：即当速度和仰角达到一定值时，很难保证飞机的静稳定性。仰角越大，机翼的弯曲变形越大，直至结构被破坏。,3.超声速飞机和低、亚声速飞机外形区别,2.3飞机飞行原理,2.3.6风洞的功用和典型构造,飞机的升力和阻力对飞机性能有很大影响。良好的气动特性：提高升力，减小阻力。获得升力和阻力变化特性：科学计算和风洞试验。,风洞是一种利用人造气流来进行飞机空气动力试验的设备。,风洞试验：（1）几何相似，即飞机和模型之间的；（2）运动相似，即模型各部分气流速度大小与真实飞机对应部分成同一比例，流速方向相同；气流扰动和实际情况相同；（3）动力相似，作用与模型上的空气动力（升力和阻力）和作用于真实飞机上的空气动力大小成比例，且方向相同。,为保证“动力相似”，必须保证实验中模型和真实飞机飞行时的雷诺数相同。,试验飞机模型尺寸比真实飞机小得多，风洞风速也比真实飞行速度小很多，导致模型摩擦阻力在总阻力中所占比例比真实情况大得多。,2.3.6风洞的功用和典型构造,雷诺数（Reynoldsnumber）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数,雷诺数,其中v、分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。,雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大意味着惯性力影响越显著。,例如雾珠的降落或润滑膜内的流动过程，粘性效应在整个流场中都是重要的。而飞机近地面飞行时相对于飞机的气流，流体粘性对物体绕流的影晌只在物体边界层和物体后面的尾流内才是重要的。,低速风洞,2.3.6风洞的功用和典型构造,气流速度,空气动力,风烟洞,2.3.6风洞的功用和典型构造,低速风洞,可形象地显示出环绕实验模型的气流流动情况，清晰显示模型流线谱。,超声速风洞主体结构,2.3.6风洞的功用和典型构造,高速风洞,包括亚、跨、超以及高超声速风洞。,“暂冲式”超声速速风洞,依靠高压空气和大气之间的压力差来工作。,蜂窝器,优点：降低了电动机功率；缺点：工作时间短。,风洞的功用,2.3.6风洞的功用和典型构造,风洞可用于对整架飞机或飞机的某个部件进行吹风实验。,2.4.1飞机的飞行性能,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞机的飞行性能是衡量一架飞机的重要标志，一般包括：飞行速度、航程、升限、起飞着陆性能和机动性能等。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,安全高度,起飞距离,（加速飞行过程）,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,减小起飞距离措施：增升装置增加推力弹射装置（舰载机）,飞机起飞距离越短越好。,（减速飞行过程）,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,平飞减速和飘落触地,慢车状态襟翼打开直线下滑,提高着陆性能措施：机翼扰流片反向推力装置阻力板或阻力伞刹车阻拦索,飞机着陆速度越小，着陆距离越短，着陆性能越好。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,5、飞机的机动性能,飞机在一定时间间隔内改变飞行状态的能力，它在夺取空战优势中起着相当重要的作用，是军用飞机重要的战术性能指标。对于运输机机动性能要求低。,飞机载荷：,飞机除受重力之外的外力总和与飞机重量之比。垂直方向上的过载：,飞机设计中，常用过载来评定飞机的机动性。,飞机飞行中除了有俯仰、偏航和滚转等常规机动动作外，对于战斗机还有盘旋、筋斗、俯冲、跃升、战斗转弯等机动动作。现代战斗机还具备过失速机动能力。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,爬升,倒飞,俯冲,平飞,筋斗,俯冲,跃升,过载可达9g,过载可达6g,跃升高度,动升限：跃升可达到的最大高度。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,3、战斗转弯,同时改变飞行方向和增加飞行高度的机动飞行称为战斗转弯。用途：空战中夺取高度优势和占据有利方位。过载系数3-4g。此外，还可采用筋斗方法进行战斗转弯以缩短机动时间。,4.过失速机动,飞机在超过失速迎角之后，仍然有能力对飞机姿态作出调整，实现快速机头指向，完成可操纵的战术机动。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,作用：瞬时使飞机占据有利位置，改变敌我攻守态势。,F-22榔头机动,S-27眼镜蛇机动,1989年6月巴黎航展，苏联试飞员普加乔夫第一次世界面前表演了“眼镜蛇”机动。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞机的飞行迎角超过临界迎角后，发生的一种连续自动旋转运动。是由大迎角下的自转现象引起的。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,5.尾旋,尾旋过程轨迹为小半径螺旋线，一面旋转，一面下降。同时绕滚转、俯仰偏航三轴不断旋转。,尾旋特点：迎角大、螺旋半径小，旋转速度高、下沉速度大。,尾旋是一种危险的飞行状态，极易造成飞行事故，但为了训练和研究目的，有些高机动飞机允许进入尾旋并改出。,2.4.2飞机的稳定性,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞机焦点,附加升力的合力Y的作用点为飞机的焦点。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞机焦点,附加升力的合力Y的作用点为飞机的焦点。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞机的焦点,飞机重心位置与纵向稳定性之间的关系,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞机主要依靠垂尾的作用来保证方向稳定性，方向稳定力矩是在侧滑中产生的。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞机即向前、又向侧方运动。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞机在速度提高（特别是超声速以后），垂尾侧力系数减小，产生侧力能力下降，导致飞机方向静稳定性降低。措施：增大垂尾面积，选用腹鳍、双立尾增大方向稳定性。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,使飞机自动恢复横侧平衡状态的滚转力矩主要由机翼上反角、机翼后掠角和垂直尾翼的作用产生的。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,超声速飞机一般采用大后掠角，其横向静稳定作用可能过大而出现左右往复的飘摆运动。可采用下反角外形以削弱后掠翼后掠翼的横向静稳定性。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞机具有静稳定性，表明该飞机的平衡状态具有抗外界干扰的能力。但为了保证飞机的稳定性，决不能单纯依靠飞机自身的稳定性，飞行员也必须积极主动地实施操纵，做及时修正。,2.4.3飞机的操纵性,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞机的操纵性是指驾驶员通过操纵设备（如驾驶杆、脚蹬和气动舵面等）来改变飞机飞行状态的能力。,主要研究飞行状态的改变与杆舵行程和杆力大小之间的基本关系，飞机反应快慢，以及影响因素等。操作气动舵面包括：升降舵、方向舵和副翼。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞行中，向后拉杆，机头上仰；向前推杆，机头下俯。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞行中，向左压驾驶杆，飞机向左倾斜；反之，向右压驾驶杆，飞机向右倾斜。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞行中，踏左脚蹬，机头向左偏转；踏右脚蹬，机头向右偏转。,2.4飞机的飞行性能及稳定性和操纵性,飞行马赫数的提高，飞行动