3 第二章第三节 飞行基本原理及飞行控制

1、第三节 飞行的基本原理和飞行控制第第三三节节 飞飞机的机体结构机的机体结构第三节 飞行的基本原理和飞行控制一、飞行基本原理一、飞行基本原理 二、飞机的稳定性和操纵性二、飞机的稳定性和操纵性三、飞机的飞行过程三、飞机的飞行过程 第三节 飞行的基本原理和飞行控制空气动力空气动力任何物体只要和空气之间产生相对运动，空气就会对它产生作用力。飞机的升力飞机的升力主要由机翼和空气的相对运动而产生。风筝风筝利用风力人类制造了第一种重于空气的飞行器。第三节 飞行的基本原理和飞行控制1 1、伯努利定理、伯努利定理18世纪，瑞士科学家伯努利通过对流体（包括气体和液体）运动的深入研究建立了伯努利定理后，流体运动的基

2、本力学原理才得以展示，并出现了流体力学，从而奠定了飞机在空气中运动的理飞机在空气中运动的理论基础论基础。Daniel Bernoulli, 1700-1782.第三节 飞行的基本原理和飞行控制1 1、伯努利定理、伯努利定理基本推到原理：基本推到原理：在不同截面处来测量管内流体的流速v和流体对管壁的压力P(我们称之为流体的静压)由每个截面上垂直管中的液体高度表现出来。截面积为S，S1S2S3，液体流速V1V2P2P3P1P2P3第三节 飞行的基本原理和飞行控制定性结论：在液体稳定流动的条件下，流动是连续的，进口处和出口处所流过的流体质量是相同的；截面小，流速大，静压小；截面大，流速小，静压大；1

3、 1、伯努利定理、伯努利定理第三节 飞行的基本原理和飞行控制212tpVppppC动总静1 1、伯努利定理、伯努利定理在流体流动中它的能量包括动能和势能（压力能）两部分，根据能量守恒原理，如果把能量的损耗忽略不计，流体在各个截面上的能量总和是不变的；P是流体作用时在流体作用在容器壁上的压强，是单体流体在静止时所具有的能量；Q= 是动压，是流体流动时在流动方向上所产生的压强，送单位流体内包含的运动能量，Pt 我们称之为总压，是单位流体内动能和静止能的总和；第三节 飞行的基本原理和飞行控制2 2、伯努力定理的应用、伯努力定理的应用伯努力定理在大气中的使用伯努力定理在大气中的使用（1 1）伯努利定理

4、在大气中的应用）伯努利定理在大气中的应用当把伯努利定理使用到大气中的飞机时，可以把飞机相当于管壁，而管内的流体就成了大气，流体的静压力就是这一点的大气压力。流动的速度是空气和物体之间的相对运动速度。2 2、伯努力定理的应用、伯努力定理的应用伯努力定理在大气中的使用伯努力定理在大气中的使用（1 1）伯努利定理在大气中的应用）伯努利定理在大气中的应用2 2、伯努力定理的应用、伯努力定理的应用伯努力定理在大气中的使用伯努力定理在大气中的使用（1 1）伯努利定理在大气中的应用）伯努利定理在大气中的应用第三节 飞行的基本原理和飞行控制山谷里的风通常比平原大山谷里的风通常比平原大高楼大厦之间的对流高楼大厦

5、之间的对流通常比空旷地带大通常比空旷地带大河水在河道窄的河水在河道窄的地方流得快，河地方流得快，河道宽的地方流得道宽的地方流得慢慢2 2、伯努力定理的应用、伯努力定理的应用伯努力定理在大气中的使用伯努力定理在大气中的使用第三节 飞行的基本原理和飞行控制火车站台安全线火车站台安全线由伯努利定理知：流动速度增加,流体的静压将减小；反之,流动速度减小,流体的静压将增加。但是流体的静压和动压之和,称为总压始终保持不变。伯努利定理的证明：高速行驶的火车周围有强大的气流,人靠近的话即使不接触也会把人带倒,画上安全线就是说保持一定的距离使气流无法对人身造成伤害。 第三节 飞行的基本原理和飞行控制流 线 体

6、的 流 线 谱斜 立 平 板 的 流 线 谱Q流线流线是流场中一条空间曲线，在该曲线上流体微是流场中一条空间曲线，在该曲线上流体微团的速度与曲线在该点的切线重合。团的速度与曲线在该点的切线重合。流速流速流线流线翼型翼型2 2、伯努力定理的应用、伯努力定理的应用（2 2）机翼上的升力）机翼上的升力第三节 飞行的基本原理和飞行控制Q相对运动-实际上是物体在空气中运动，但为了研究方便，我们假设物体不动，空气以相同的速度从相反方向流过来。这两种运动中物体所受空气给它的作用力是一样的。2 2、伯努力定理的应用、伯努力定理的应用（2 2）机翼上的升力）机翼上的升力2 2、伯努力定理的应用、伯努力定理的应用

7、第三节 飞行的基本原理和飞行控制前缘后缘翼型下曲度翼型上曲度迎角相对气流弦长翼弦第三节 飞行的基本原理和飞行控制Q翼型翼型-就是把机翼沿平行机身纵轴方向切下的剖面就是把机翼沿平行机身纵轴方向切下的剖面, ,机翼的翼型机翼的翼型是流线型的是流线型的, ,上表面弯曲大上表面弯曲大, ,下表面弯曲小或者是直线下表面弯曲小或者是直线；Q翼型的最前一点叫作翼型的最前一点叫作前缘点前缘点; ;Q翼型的最后一点叫作翼型的最后一点叫作后缘点后缘点; ;Q前缘点和后缘点的连线叫前缘点和后缘点的连线叫翼弦翼弦; ;Q迎角迎角-是翼弦和相对气流方向的夹角是翼弦和相对气流方向的夹角; ;前缘后缘翼型下曲度翼型上曲度迎

8、角相对气流弦长翼弦第三节 飞行的基本原理和飞行控制Y Y升力升力机翼上表面空气流速较快，压力小，机翼下表面的空气流动速较慢，压强大。机翼上下表面的压力差产生升力；Q Q阻力阻力要产生升力，机翼必须和空气有相对运动，也就是飞机一定要向前运动。它向前运动的同时空气就会产生阻力；R R空气动力空气动力阻力和升力的合力形成了向上、向后的力，叫做空气动力；第三节 飞行的基本原理和飞行控制推力产生速度产生相对气流升力动力装置第三节 飞行的基本原理和飞行控制Q失速失速-飞机在形成迎角时，随着迎角的增加，升力系数也增加，当迎角增大到某一个值，升力系数达到最大，之后迎角再增加，升力系数减小，这时就是失速了。2

9、2、伯努力定理的应用、伯努力定理的应用（2 2）机翼上的升力）机翼上的升力第三节 飞行的基本原理和飞行控制升力升力推力推力重力重力阻力阻力（1 1）飞机上的作用力）飞机上的作用力升力升力压力差沿水平方向的分力即为阻力。压力差沿水平方向的分力即为阻力。压力差沿垂直方向的分力即为升力。压力差沿垂直方向的分力即为升力。3 3、飞机上的作用力、飞机上的作用力第三节 飞行的基本原理和飞行控制第三节 飞行的基本原理和飞行控制压力差沿水平方向的分力即为阻力。压力差沿水平方向的分力即为阻力。压力差沿垂直方向的分力即为升力。压力差沿垂直方向的分力即为升力。第三节 飞行的基本原理和飞行控制失速失速0()LLCC2

10、12LLVSC影响升力的因素影响升力的因素: :1、机翼面积S2、大气密度3、飞机空速v4、升力系数CL第三节 飞行的基本原理和飞行控制按照物理成因阻力可以分为:1、摩擦阻力2、压差阻力3、诱导阻力4、干扰阻力5、激波阻力（高速飞行时产生）（2 2）飞机上的作用力）飞机上的作用力阻力阻力3 3、飞机上的作用力、飞机上的作用力第三节 飞行的基本原理和飞行控制 摩擦阻力摩擦阻力-由于空气具有粘性，由于空气具有粘性，当它流过飞机表面时，在飞机表当它流过飞机表面时，在飞机表面形成较大的速度梯度，从而产面形成较大的速度梯度，从而产生的阻力。生的阻力。附面层附面层（2 2）飞机上的作用力）飞机上的作用力摩

11、擦阻力摩擦阻力 附面层附面层-外层空气的流动速度逐外层空气的流动速度逐渐加大，机体表面的阻滞作用逐渐加大，机体表面的阻滞作用逐渐减少，直到速度与外界自由流渐减少，直到速度与外界自由流速相等。这样一流速有变化的空速相等。这样一流速有变化的空气称之为气称之为“附面层附面层”；3 3、飞机上的作用力、飞机上的作用力第三节 飞行的基本原理和飞行控制Q压差阻力压差阻力-空气绕流飞机时前后形成的压力差的阻力，它也是由空气绕流飞机时前后形成的压力差的阻力，它也是由于粘性造成的。如果没有粘性，压力分布不会造成这种阻力。于粘性造成的。如果没有粘性，压力分布不会造成这种阻力。3 3、飞机上的作用力、飞机上的作用力

12、（2 2）飞机上的作用力）飞机上的作用力压力阻力压力阻力第三节 飞行的基本原理和飞行控制 摩擦阻力摩擦阻力-由于空气具有粘性，当它流过飞机表面由于空气具有粘性，当它流过飞机表面时，在飞机表面形成较大的速度梯度，从而产生的时，在飞机表面形成较大的速度梯度，从而产生的阻力。阻力。（2 2）飞机上的作用力）飞机上的作用力压力阻力压力阻力3 3、飞机上的作用力飞机上的作用力第三节 飞行的基本原理和飞行控制Q机身和机翼机身和机翼Q机身和尾翼机身和尾翼Q机翼和发动机短舱机翼和发动机短舱干扰阻力干扰阻力-飞机各部分之间由于气流干扰而产生的一种额外阻力。飞机各部分之间由于气流干扰而产生的一种额外阻力。摩擦阻力

13、、压差阻力和干扰阻力通称为摩擦阻力、压差阻力和干扰阻力通称为废阻力。废阻力。（2 2）飞机上的作用力）飞机上的作用力干扰阻力干扰阻力产生干扰阻力的部位产生干扰阻力的部位3 3、飞机上的作用力飞机上的作用力第三节 飞行的基本原理和飞行控制Q诱导阻力诱导阻力-由于产生升力，翼面上方压力小而下方压力大，由于产生升力，翼面上方压力小而下方压力大，空气在翼尖从下翼面绕过翼尖流向上翼面形成涡流，从而产生空气在翼尖从下翼面绕过翼尖流向上翼面形成涡流，从而产生诱导阻力。诱导阻力。（2 2）飞机上的作用力）飞机上的作用力诱导阻力诱导阻力3 3、飞机上的作用力飞机上的作用力第三节 飞行的基本原理和飞行控制D=CD

14、 Pv2SW翼尖涡流第三节 飞行的基本原理和飞行控制4 4、马赫与激波、马赫与激波在20世纪40年代，活塞式飞机的平飞速度达到每小时700多千米，俯冲时接近声波速度，差不多到达了这种飞机的速度极限。当接近声速时，飞机会出现剧烈的抖振，而且变得很不稳定，几乎无法操纵。有时会破坏飞机结构如机翼和尾翼造成失事坠毁的悲惨结果。这就是所谓的“音障”。“音障”现象是飞机出现激波和波阻的结果。第三节 飞行的基本原理和飞行控制激波激波-当物体的运动速度等于或大于音速时，物体前方形成一层剧烈压缩的空气气层，这里空气密度急剧增加，阻力迅速增大，这种现象叫做激波。急剧增大的阻力称为激波阻力，也叫声障声障。4 4、马

15、赫与激波、马赫与激波第三节 飞行的基本原理和飞行控制空气在通过激波时，受到薄薄一层稠密空气的阻滞，使得气流速度急骤降低，由阻滞产生的热量来不及散布，于是加热了空气。加热所需的能量由消耗的动能而来。在这里，能量发生了转化-由动能变为热能由动能变为热能。动能的消耗表示产生了一种特别的阻力。从能量的观点来看，波阻就是这样产生的。4 4、马赫与激波、马赫与激波第三节 飞行的基本原理和飞行控制波阻的害处波阻的害处: :1、当飞行速度在音速附近时，根据计算，波阻可能消耗发动机大约全部动力的四分之三。2、高热热障 4 4、马赫与激波、马赫与激波波阻波阻空气在通过激波时，受到这一薄层稠密空气的阻滞，使流速急剧

16、降低，由阻滞而产生的热量使空气加温。加温所消耗的能量来自动能。动能的消耗表示产生了一种新的阻力。该阻力由于形成激波而产生，所以就叫“波阻”。减小激波阻力的措施减小激波阻力的措施-采用后掠翼采用后掠翼 后掠翼上表面达到临界速度要高于平直机翼，因而，高亚音速飞机采用后掠翼 ，速度越高，后掠翼越大。 大型民航机后掠角度在25到40之间。第三节 飞行的基本原理和飞行控制VMaQ马赫数马赫数-飞行速度与声速的比值称为马赫数飞行速度与声速的比值称为马赫数. .用用M M表示表示. . QM小于0.4的飞机一般称为低速飞机QM在0.4-0.9的飞机称为亚音速飞机， 其中0.75-0.9之间,称为高亚音速飞机

17、QM在0.9-1.2的范围时称为跨音速区域,没有飞机专门在这个区域飞行QM在1.3以上飞行的飞机称为超音速飞机4 4、马赫与激波、马赫与激波第三节 飞行的基本原理和飞行控制临界马赫数临界马赫数-飞机产生局部激波时的飞行马赫数，即飞机表面速度最大点的M=1时的飞行马赫数。M M临临是亚声速和跨声速的分界点,此时所产生的局部激波同样也对飞机有着不利的影响；阻力突然增大阻力突然增大4 4、马赫与激波、马赫与激波第三节 飞行的基本原理和飞行控制4 4、马赫与激波、马赫与激波飞机速度达到M临时，局部阻力增加很大，甚至会使结构受损，尤其是局部激波后面的附面层很容易分离，机翼上表面的局部激波会使机翼升力下降

18、造成“激波失速激波失速”；vvv1平直机翼平直机翼后掠机翼后掠机翼流过平直机翼和后掠机翼的气流速度流过平直机翼和后掠机翼的气流速度第三节 飞行的基本原理和飞行控制翼刀小翼翼刀小翼解决局部激波的问题解决局部激波的问题采用后掠机翼提高采用后掠机翼提高M M临和降低波阻。临和降低波阻。后掠翼提高了后掠翼提高了M M临临，推迟局部激波出现，使飞机的速度提高，同时它拥，推迟局部激波出现，使飞机的速度提高，同时它拥有的升力却减少了，因而低速飞机不采用后掠机翼，高速飞机需要低速有的升力却减少了，因而低速飞机不采用后掠机翼，高速飞机需要低速飞行时，特别是起飞降落时，机翼升力不够，需要采用增生装置来提高飞行时，

19、特别是起飞降落时，机翼升力不够，需要采用增生装置来提高飞行性能。飞行性能。采取后掠飞机在机翼上增加了翼刀或翼尖小翼，用采取后掠飞机在机翼上增加了翼刀或翼尖小翼，用以减缓气流在机翼以减缓气流在机翼延伸方向的流动，并增加机翼的抗扭曲刚度延伸方向的流动，并增加机翼的抗扭曲刚度。第三节 飞行的基本原理和飞行控制第三节 飞行的基本原理和飞行控制1969年美国国家航空航天局（NASA）兰利研究中心的理查德.惠特科姆运用理论方法设计出超临界翼型，特点是前缘钝圆，上表面平坦，下表面在后缘处有反凹，且后缘较薄并向下弯曲。与普通翼型相比可提高临界马赫数0.06-0.1。使飞机的速度提高，使用这种机翼可减少飞机的后

20、掠角，减轻飞机的结构重量。第三节 飞行的基本原理和飞行控制第第三三节节 飞机的飞机的飞行飞行控制控制第三节 飞行的基本原理和飞行控制1 1、飞机的平衡、飞机的平衡机体坐标轴：机体坐标轴：纵轴、横轴、立轴纵轴、横轴、立轴第三节 飞行的基本原理和飞行控制（1 1）俯仰平衡）俯仰平衡绕横轴的转动称为绕横轴的转动称为俯仰俯仰第三节 飞行的基本原理和飞行控制（2 2）方向平衡）方向平衡绕立轴的转动称为绕立轴的转动称为偏航偏航第三节 飞行的基本原理和飞行控制（3 3）横侧平衡）横侧平衡绕纵轴的转动称为绕纵轴的转动称为滚转滚转第三节 飞行的基本原理和飞行控制TD0 0 0XTDYCL G TZ第三节 飞行的

21、基本原理和飞行控制LTGDGLD上升下降受力分析上升下降受力分析第三节 飞行的基本原理和飞行控制2 2、飞机的稳定性、飞机的稳定性Q稳定性稳定性-飞机在受到外界扰动偏离其平衡位置之后，飞机在受到外界扰动偏离其平衡位置之后，不需要驾驶员干预，能够自动恢复到原来的平衡状态，不需要驾驶员干预，能够自动恢复到原来的平衡状态，飞机就是具有稳定性的。飞机就是具有稳定性的。(c) (c) 负稳定性负稳定性(b)(b)中性稳定中性稳定(a) (a) 正稳定性正稳定性第三节 飞行的基本原理和飞行控制飞机具有稳定性飞机具有稳定性飞机不具有稳定性飞机不具有稳定性飞机具有中立稳定性飞机具有中立稳定性（1）飞机的稳定性）飞机的稳定性纵向稳定性（绕横轴的稳定性）纵向稳定性（绕横轴的稳定性）第三节 飞行的基本原理和飞行控制Q气动中心在重心之后气动中心在重心之后Q水平尾翼水平尾翼第三节 飞行的基本原理和飞行控制（2）飞机的稳定性）飞机的稳定性方向稳定性（绕立轴的稳定性）方向稳定性（绕立轴的稳定性）Q垂直