飞机飞行原理及实例分析-课程报告

封面华中师范大学航天与航空课程报告 报告题目飞机飞行原理及实例分析 学号2016210322____ 姓名胡梦真 院系法学院 班级号2班

飞机飞行原理及实例分析摘要：自古以来，人类对于升空飞行有着无限的憧憬和祈盼。人类探索航空的过程是漫长的，最初法国的罗齐尔和达尔朗德乘蒙特哥菲兄弟发明的热气球第一次升上天空，开创了人类航空的新时代。此后，人类开始了对于飞行器的研究，美国的莱特兄弟发明的带动力装置的飞机第一次试飞成功，人类的航空事业开启了崭新的一页。那么，飞机究竟是如何飞上天空的呢？本文将从飞机的定义，结构，飞行原理以及具体举例说明这一问题。关键词：飞行原理，伯努利定理，机翼。“我们要做一个强国，就一定要把装备制造业搞上去，把大飞机搞上去，起带动作用、标志性作用。中国是最大的飞机市场，过去有人说造不如买、买不如租，这个逻辑要倒过来，要花更多资金来研发、制造自己的大飞机。”--------------------------2014年5月23日，习近平在中国商飞设计研发中心考察调研时说道。相传2000多年前，春秋战国时期的鲁班就曾削竹为鹊，“做木鸢以窥宋城”。公元前202年，刘邦集中韩信、彭越、英布等40万大军，把项羽围困在垓下（今安徽灵壁县），这时项羽兵力不过10万，粮草也快吃完了。韩信为瓦解项羽的军心，用牛皮制作了一只风筝，下置善笛之人吹思乡之曲，又命围攻汉军，高唱楚歌，其声悲怨，动摇了楚军的军心，留下了“四面楚歌”的历史典故。《红楼梦》中薛宝钗所作之诗“好风凭借力，送我入青云”。他们必然无法料到，几百年后的今天，人类竟果真将自己的事业发展到了天空。二十世纪最重大的发明之一，是飞机的诞生。毕竟人类自古以来就梦想着能像鸟一样在太空中飞翔。在不到100年前，即使是最快的船只，也要用一个星期以上的时间横渡大西洋。今天，大型的喷射机可以不超过七小时就飞完这个4800公里的航程。飞机是最快的交通工具，因为它可以飞越高山和海洋等障碍物。高功率的喷射引擎使最快的战斗机达到每小时3200公里的速度——比声音速度快三倍。甚至最普通的喷射客机速度也可达到每小时850公里。飞机能够载重上百吨腾空而起，不但飞行速度快而且飞行距离长，这恐怕是现代科学技术最令世人惊奇的成就之一。据说，在太平洋的某些小岛上居住的原始居民，他们至今还仍然供奉着一些形如飞机的偶像。他们认为在第二次世界大战时天空中掠过的美军飞机是天神派下来的使者，使他们感到敬畏。那么，飞机究竟是如何凭借风力，飞升于青云之间？且听笔者细细言之。何为飞机。（一）飞机的定义要明白飞机的飞行原理，首先要明了飞机的概念。对于飞机的定义问题，百度百科给出了以下解释：飞机是指具有一具或多具发动机的动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。飞机是最常见的一种固定翼航空器。按照其使用的发动机类型又可被分为喷气飞机和螺旋桨飞机。这一环量最终产生的升力大小亦可由库塔-茹可夫斯基方程计算：L（升力）=ρVΓ（气体密度×流速×环量值）这一方程同样可以计算马格努斯效应的气动力。升力的原理就是因为绕翼环量（附着涡）的存在导致机翼上下表面流速不同压力不同。以风筝为例，风筝在牵线的拉力下与风向必须呈一个适当的角度才能飞起。根据经验如果风筝和风向成为直角，风筝飞不起来，因为这时风筝受的力只会是向后的，没有向上的升力。如果风筝和风向是平行的，风从风筝上下两面吹过，它仍然没有升力，风筝将在风中飘落，这是断线风筝的情况。只有当风筝与风向形成一个适度的锐角，风在风筝上形成了一个向后上方的力，风筝才会冉冉升起。风筝平面与风向形成的夹角被称之为迎角；风在风筝上产生的向后的力被称之为阻力，向上的力被称之为升力；总的合力被称为空气动力。当迎角为90度时，也就是风向与风筝平面垂直，这时的风只产生阻力，你只能用手拉紧风筝线，拉力与阻力平衡，风筝才不至于被刮跑；当迎角为0度时，风筝基本不受风力的作用，由于自身的重量它会逐渐飘落；只有在风筝的迎角是处于一定的锐角时，这时的空气动力也就是风的作用力变为向后向上的力，驱使风筝升空遨游。此时的空气动力可以被分解为两个力：向后的力是阻力，向上的力即升力。在升力的作用下，风筝升空。风筝的阻力通过牵线与手的拉力平衡，而升力则与风筝的重力平衡，于是千姿百态的风筝上升到一定高度后才会在蔚蓝的天空中飘舞。人类若想借助风筝升天的原理使自己也能飞上天，必须解决两个很关键的问题：一是必须自己造出“风”，不再受大自然的摆布；二是必须要制造出能够控制迎角的平面，从而产生足够的升力。怎么才能造出“风”来呢?人类在苦苦思索很久后，终于在公元17世纪时由伟大的英国物理学家牛顿解决了这个难题。牛顿指出运动是相对的。对于航空器来说，自然界的风是因空气相对于地面流动而产生的，因此如果在没有自然风的状况下，我们可以让航空器自身首先运动起来，使空气从它的周边流过，从而产生出与自然风效果相同的“人造风”。与此同理，在没有自然风的天气，如果有人牵着风筝快跑，同样也可以放飞风筝。结论是：人类中聪明的制造者们只要能想出办法让航空器动起来，就一定能造出托举飞机升空的“风”。对于使飞机升天的第二个关键问题的探索，也就是如何制造出可控的迎角平面、使飞机产生足够的升力的问题，研究进展比较缓慢。一直到1738年瑞士物理学家伯努利在研究流体(包括气体和液体)的流动时，他发现了流体在流动时压力和流速的关系，这才从理论上阐明为什么重于空气的物体可以升上空中的原因，即上述伯努利定律。下面再回到飞机本身来讨论。飞机的升力绝大部分是由机翼产生，尾翼通常产生负升力，飞机其他部分产生的升力很小，一般不考虑。从上图我们可以看到：空气流到机翼前缘，分成上、下两股气流，分别沿机翼上、下表面流过，在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出，流管较细，说明流速加快，压力降低。而机翼下表面，气流受阻挡作用，流管变粗，流速减慢，压力增大。这里我们就引用到了上述两个定理。于是机翼上、下表面出现了压力差，垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样重于空气的飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力，从而翱翔在蓝天上了。例证之滑翔机。滑翔机是指不依靠动力装置飞行的重于空气的固定翼航空器，起飞后仅依靠空气作用于其升力面上的反作用力进行自由飞行，大多没有动力装置。可由飞机拖曳起飞，也可用绞盘车或汽车牵引起飞，还可从高坡上下滑到空中。在无风情况下，滑翔机在下滑飞行中依靠自身重力的分量获得前进动力；在上升气流中，滑翔机可像老鹰展翅那样平飞或升高。滑翔机具有与飞机显著不同的狭长机翼（即较大的机翼展弦比），机身外形细长，呈流线体。高级滑翔机的机翼展弦比可达30以上，在设计上趋向于驾驶员躺卧舱中，以便减小机身截面积。机体表面光滑，甚至打蜡，借以提高滑翔机的升阻比，减小滑翔飞行中的下滑角。人们常用滑翔比（滑翔中前进距离与下沉高度之比）来衡量滑翔性能的优劣。由滑翔飞行的平衡关系可知，滑翔比与升阻比相等。现代高级滑翔机的升阻比最高已超过50。有的滑翔机机翼上还装有可操纵打开的减速板，用于在必要时增加阻力，或是在着陆下滑时调整下滑角，以便在指定地点准确着陆。动力滑翔机装有小型辅助发动机，不须外力牵引即可自行起飞，当到达预定高度时关闭发动机进行基本的滑翔飞行。动力滑翔机可提高训练飞行的效率和安全性。那么滑翔机的飞行原理是怎样的呢，解释如下：飞机必须以升力克服重力，以推力克服空气阻力才能飞行。飞机产生升力是借助机翼截面拱起的形状，当空气流经机翼时，上方的空气分子因在同一时间内要走的距离较长，所以跑得较下方的空气分子快，造成在机翼上方的气压会较下方低。如此，下方较高的气压就将飞机支撑著，而能浮在空气中。这就是所谓的伯努利（十八世纪荷兰出生，后来移居瑞士的数学与科学家）原理。根据伯努利原理，飞机速度愈快，所产生的气压差（也就是升力）就会愈大，升力大过重於重力，飞机就会向上窜升。滑翔机没有引擎的动力，它可以靠四种方式升空：(1)弹射器—将滑翔机架设在弹力绳并向後拉，由驾驶员给予讯号後释放绳索而弹射出去。(2)汽车拖曳—将滑翔机系绳於车上拖曳达适当高度後，驾驶员将绳索松开。(3)绞车拖曳—与汽车拖曳相似，只是利用固定在地上以马达驱动的绞车来拉滑翔机。(4)飞机拖曳—以另一部有动力的飞机拖至一定的高度后，滑翔机脱离而自由翱翔。滑翔机升空后，除非碰到上升气流，否则空气阻力会逐渐减缓飞机的速度，升力就会愈来愈小，重力大於升力，飞机就会愈飞愈低，最後降落至地面。为了让滑翔机能飞得又远又久，它必需有很高的升力阻力比，这就是为什麼滑翔机的机翼那麼细长，如何突破滞空时间以及飞行高度的纪录是滑翔机设计与制造的最大挑战。滑翔是一种需要高度技巧与飞行知识，借助自然能量遨游天空的运动。结语自从莱特兄弟1903年第一次进行了有动力的飞行后，时间仅之过了70多年人类就突破了平流层，进入到了外层空间。时至今日，世界上没有哪个表面能躲过卫星的窥视。达芬奇的梦境和设想成为了现实。不忘初心，方得始终。纵观我国的飞行技术发展史，许多年轻有为的科学家为我国航天科技的发展做出了巨大贡献，从古时期的万户敢于挑战利用火箭飞行，再到冯如自制飞机在国际社会上进行飞行表演，不断的展现着我们中华民族强有力的民族精神以及创新精神。创新是一个国家进步的灵魂，让我们国家独立自主开发研制的飞机飞上美丽的蓝天，是我们每一位炎黄子孙的梦想，也是我们每人心中的中国梦，相信美丽勇敢的中国人能在未来开发出自己的一片飞行蓝图。参考文献：顾诵芬主编.世界航空发展史