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要了解飞机的飞行原理就必须先知道飞机的组成以及功用,飞机的升力是如何产生的等问题。这些问题将分成几个部分简要讲解。 


一、飞行的主要组成部分及功用 


到目前为止,除了少数特殊形式的飞机外,大多数飞机都由机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置五个主要部分组成: 


1. 机翼——机翼的主要功用是产生升力,以支持飞机在空中飞行,同时也起到一定的稳定和操作作用。在机翼上一般安装有副翼和襟翼,操纵副翼可使飞机滚转,放下襟翼可使升力增大。机翼上还可安装发动机、起落架和油箱等。不同用途的飞机其机翼形状、大小也各有不同。 


2. 机身——机身的主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备,将飞机的其他部件如:机翼、尾翼及发动机等连接成一个整体。 


3. 尾翼——尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成,有的高速飞机将水平安定面和升降舵合为一体成为全动平尾。垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转,保证飞机能平稳飞行。 


4.起落装置——飞机的起落架大都由减震支柱和机轮组成,作用是起飞、着陆滑跑,地面滑行和停放时支撑飞机。 


5.动力装置——动力装置主要用来产生拉力和推力,使飞机前进。其次还可为飞机上的其他用电设备提供电源等。现在飞机动力装置应用较广泛的有:航空活塞式发动机加螺旋桨推进器、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机。除了发动机本身,动力装置还包括一系列保证发动机正常工作的系统。 


飞机上除了这五个主要部分外,根据飞机操作和执行任务的需要,还装有各种仪表、通讯设备、领航设备、安全设备等其他设备。 


二、飞机的升力和阻力 


飞机是重于空气的飞行器,当飞机飞行在空中,就会产生作用于飞机的空气动力,飞机就是靠空气动力升空飞行的。在了解飞机升力和阻力的产生之前,我们还要认识空气流动的特性,即空气流动的基本规律。流动的空气就是气流,一种流体,这里我们要引用两个流体定理:连续性定理和伯努利定理: 


流体的连续性定理:当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管道时,由于管道中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来,因此在同一时间内,流进任一切面的流体的质量和从另一切面流出的流体质量是相等的。 


连续性定理阐述了流体在流动中流速和管道切面之间的关系。流体在流动中,不仅流速和管道切面相互联系,而且流速和压力之间也相互联系。伯努利定理就是要阐述流体流动在流动中流速和压力之间的关系。 


伯努利定理基本内容:流体在一个管道中流动时,流速大的地方压力小,流速小的地方压力大。 


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。 


机翼升力的产生主要靠上表面吸力的作用,而不是靠下表面正压力的作用,一般机翼上表面形成的吸力占总升力的60-80%左右,下表面的正压形成的升力只占总升力的20-40%左右。 


飞机飞行在空气中会有各种阻力,阻力是与飞机运动方向相反的空气动力,它阻碍飞机的前进,这里我们也需要对它有所了解。按阻力产生的原因可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力。 


1.摩擦阻力——空气的物理特性之一就是粘性。当空气流过飞机表面时,由于粘性,空气同飞机表面发生摩擦,产生一个阻止飞机前进的力,这个力就是摩擦阻力。摩擦阻力的大小,决定于空气的粘性,飞机的表面状况,以及同空气相接触的飞机表面积。空气粘性越大、飞机表面越粗糙、飞机表面积越大,摩擦阻力就越大。 


2.压差阻力——人在逆风中行走,会感到阻力的作用,这就是一种压差阻力。这种由前后压力差形成的阻力叫压差阻力。飞机的机身、尾翼等部件都会产生压差阻力。 


3.诱导阻力——升力产生的同时还对飞机附加了一种阻力。这种因产生升力而诱导出来的阻力称为诱导阻力,是飞机为产生升力而付出的一种“代价”。其产生的过程较复杂这里就不在详诉。 


4.干扰阻力——它是飞机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外阻力。这种阻力容易产生在机身和机翼、机身和尾翼、机翼和发动机短舱、机翼和副油箱之间。 


以上四种阻力是对低速飞机而言,至于高速飞机,除了也有这些阻力外,还会产生波阻等其他阻力。 


三、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,即速度增大到原来的两倍,升力和阻力增大到原来的四倍:速度增大到原来的三倍,胜利和阻力也会增大到原来的九倍。空气密度大,空气动力大,升力和阻力自然也大。空气密度增大为原来的两倍,升力和阻力也增大为原来的两倍,即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正比例。机翼形状对升力、阻力有很大影响,从机翼切面形状的相对厚度、最大厚度位置、机翼平面形状、襟翼和前缘翼缝的位置到机翼结冰都对升力、阻力影响较大。还有飞机表面光滑与否对摩擦阻力也会有影响,飞机表面相对光滑,阻力相对也会较小,反之则大..

在讨论牛顿和伯努利的发现的章节里,我们已经一般性的讨论了飞机比空气重而机翼为什么能够维持飞行的问题。或许这个解释能够最好的简化为一个最基本的概念,升力就是机翼上空气流动的结果,或者用日常语言来说,就是因为机翼在空气中的运动。 

由于机翼利用其在空气中的运动产生力量,下面降会讨论和解释机翼结构以及前面讨论的牛顿和伯努利定律的材料。 

机翼是一种利用其表面上运动的空气来获得反作用力的结构。当空气收到不同的压力和速度时,其运动方式多种多样。但是这里讨论的是限于飞行中飞行员最关心的那些部分,也就是说机翼是用来产生升力的。看一下典型的机翼剖面图,如机翼的横截面,就可以看到几个明显的设计特征

如图 


请注意机翼的上表面和下表面的弯曲(这个弯曲称为拱形)是不同的。上表面的弯曲比下面的弯曲更加明显,下表面在大多数具体机翼上是有点平的。在图2-5 中,注意机翼剖面的两个极端位置的外观也不一样,飞行中朝前的一端叫 前缘,是圆形的,而另一端叫尾缘,相当的尖,呈锥形。 

在讨论机翼的时候经常使用一条称为弦线的参考线,一条划过剖面图中两个端点前缘和后缘的直线。弦线到机翼上下表面的距离表示上下表面任意点的拱形程度。另一条参考线是从前缘划到后缘的,叫“平均弯度线”。意思是这条线到上下表面轮廓是等距离的。

机翼的构造通过成形来利用空气的对应于特定物理定律的作用使得提供大于它的重量的作用力。它从空气获得两种作用力:一种是从机翼下方空气产生的正压升力,另外就是从机翼上方产生的反向压力。 

当机翼和其运动方向成一个小角度倾斜是,气流冲击相对较平的机翼下表面,空气被迫向下推动,所以导致了一个向上作用的升力,而同时冲击机翼前缘上曲面部分的气流斜向上运动。也就是说,机翼导致作用于空气的力,迫使空气向下,同时也就提供了来自空气的相等的反作用力,迫使机翼向上。如果构造机翼的形状能够导致升力大于飞机的重量,飞机就可以飞起来。 

然而,如果所有需要的力仅仅来自于机翼下表面导致的空气偏流,那么飞机就只需要一个类似风筝的平的机翼。当然,情况根本不是这样;在特定条件下被扰乱的机翼尾部气流会足够导致飞机失去速度和升力。支撑飞机所需力的平衡来自机翼上方的气流。这里它是飞行的关键。大部分升力来自机翼上部气流的下洗流(因机翼所产生的下降气流)的结果,这个事实必须透彻的理解才能继续深入的研究飞行。然而,给机翼上表面产生的力和下表面产生的力指定一个具体的百分比是既不正确也达不到实际目的。这些(来自上下表面的力以及他们的比例)都不是恒定值,他们的变化不仅取决于飞行条件还和不同的机翼设计有关。 

应该明白不同的机翼有不同的飞行特性。在风洞和实际飞行中测试了成千上万种机翼,但是没有发现一种机翼能够满足每一项飞行要求。重量,速度和每种飞机的用途决定了机翼的外形。很多年前人们就认识到产生最大升力的最有效率的机翼是一种有凹陷的下表面的勺状机翼。后来还认识到作为一种固定的设计,这种类型的机翼在产生升力的时候牺牲了太多的速度,因此不适合于高速飞行。然而,有一个需要说明的有趣事情,通过工程上巨大的进步,今天的高速喷气机又开始利用勺状机翼的高升力特性这个优势。前缘(Kreuger)襟翼和后缘(福勒)襟翼从基本机翼结构向外延伸时,直接的把机翼的外形变化为经典的勺状形态,这样就能够在慢速飞行条件下产生大的多的升力。