飛機(jī)升力與阻力詳解(圖文)

1、飛行基礎(chǔ)知識升力與阻力詳解(圖文)升力是怎樣產(chǎn)生的 任何航空器都必須產(chǎn)生大于自身重力的升力才能升空飛行，這是航空器飛行的基本原理。前面我們提到，航空器可分為輕于空氣的航空器和重于空氣的航空器兩大類，輕于空氣的航空器如氣球、飛艇等，其主要部分是一個大大的氣囊，中間充以比空氣密度小的氣體（如熱空氣、氫氣等），這樣就如同我們小時候的玩具氫氣球一樣，可以依靠空氣的靜浮力升上空中。遠(yuǎn)在一千多年以前，我們的祖先便發(fā)明了孔明燈這種借助熱氣升空的精巧器具，可以算得上是輕于空氣的航空器的鼻祖了。 然而，對于重于空氣的航空器如飛機(jī)，又是靠什么力量飛上天空的呢？ 相信大家小時候都玩過風(fēng)箏或是竹蜻蜓，這兩種小小的玩意

2、構(gòu)造十分簡單，但卻蘊(yùn)含著深刻的飛行原理。飛機(jī)的機(jī)翼包括固定翼和旋翼兩種，風(fēng)箏的升空原理與滑翔機(jī)有一些類似，都是靠迎面氣流吹動而產(chǎn)生向上的升力，但與固定翼的飛機(jī)有一定的差別；而旋翼機(jī)與竹蜻蜓卻有著異曲同工之妙，都是靠旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向上的升力。 機(jī)翼是怎樣產(chǎn)生升力的呢？ 讓我們先來做一個小小的試驗：手持一張白紙的一端，由于重力的作用，白紙的另一端會自然垂下，現(xiàn)在我們將白紙拿到嘴前，沿著水平方向吹氣，看看會發(fā)生什么樣的情況。哈，白紙不但沒有被吹開，垂下的一端反而飄了起來，這是什么原因呢？流體力學(xué)的基本原理告訴我們，流動慢的大氣壓強(qiáng)較大，而流動快的大氣壓強(qiáng)較小，白紙上面的空氣被吹動，流動較快，壓強(qiáng)比白紙

3、下面不動的空氣小，因此將白紙托了起來。這一基本原理在足球運(yùn)動中也得到了體現(xiàn)。大家可能都聽說過足球比賽中的“香蕉球”，在發(fā)角球時，腳法好的隊員可以使足球繞過球門框和守門員，直接飛入球門，由于足球的飛行路線是彎曲的，形似一只香蕉，因此叫做“香蕉球”。這股使足球偏轉(zhuǎn)的神秘力量也來自于空氣的壓力差，由于足球在踢出后向前飛行的同時還繞自身的軸線旋轉(zhuǎn)，因此在足球的兩個側(cè)面相對于空氣的運(yùn)動速度不同，所受到的空氣的壓力也不同，是空氣的壓力差蒙蔽了守門員。 對于固定翼的飛機(jī)，當(dāng)它在空氣中以一定的速度飛行時，根據(jù)相對運(yùn)動的原理，機(jī)翼相對于空氣的運(yùn)動可以看作是機(jī)翼不動，而空氣氣流以一定的速度流過機(jī)翼。空氣的流動在日

4、常生活中是看不見的，但低速氣流的流動卻與水流有較大的相似性。日常的生活經(jīng)驗告訴我們，當(dāng)水流以一個相對穩(wěn)定的流量流過河床時，在河面較寬的地方流速慢，在河面較窄的地方流速快。流過機(jī)翼的氣流與河床中的流水類似，由于機(jī)翼一般是不對稱的，上表面比較凸，而下表面比較平，流過機(jī)翼上表面的氣流就類似于較窄地方的流水，流速較快，而流過機(jī)翼下表面的氣流正好相反，類似于較寬地方的流水，流速較上表面的氣流慢。根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，流動慢的大氣壓強(qiáng)較大，而流動快的大氣壓強(qiáng)較小，這樣機(jī)翼下表面的壓強(qiáng)就比上表面的壓強(qiáng)高，換一句話說，就是大氣施加與機(jī)翼下表面的壓力(方向向上)比施加于機(jī)翼上表面的壓力(方向向下)大，二者的壓

5、力差便形成了飛機(jī)的升力。 當(dāng)飛機(jī)的機(jī)翼為對稱形狀，氣流沿著機(jī)翼對稱軸流動時，由于機(jī)翼兩個表面的形狀一樣，因而氣流速度一樣，所產(chǎn)生的壓力也一樣，此時機(jī)翼不產(chǎn)生升力。但是當(dāng)對稱機(jī)翼以一定的傾斜角（稱為攻角或迎角）在空氣中運(yùn)動時，就會出現(xiàn)與非對稱機(jī)翼類似的流動現(xiàn)象，使得上下表面的壓力不一致，從而也會產(chǎn)生升力。 飛機(jī)的阻力 凡是懂得物理知識的人都知道，飛機(jī)在飛行的過程中,機(jī)體上所受的力是平衡的。飛機(jī)的重力與飛機(jī)產(chǎn)生的升力平衡，而飛機(jī)的發(fā)動機(jī)的作用則是克服飛機(jī)所受的阻力，推動飛機(jī)前進(jìn)，使得飛機(jī)相對于空氣運(yùn)動，從而產(chǎn)生升力。大家肯定要想，飛機(jī)發(fā)動機(jī)的功率那么大，難道飛機(jī)上所受的阻力有那么大嗎？的確，飛機(jī)在

6、高速飛行的同時，會因為不同原因受到非常大的阻力。從產(chǎn)生阻力的不同原因來說，飛機(jī)所受的阻力可以分為摩擦阻力、壓差阻力、誘導(dǎo)阻力、干擾阻力、激波阻力等。 摩擦阻力 當(dāng)兩個物體相互滑動的時候，在兩個物體上就會產(chǎn)生與運(yùn)動方向相反的力，阻止兩個物體的運(yùn)動，這就是物體之間的摩擦阻力。當(dāng)飛機(jī)在空氣中飛行時，飛機(jī)也會受到空氣的摩擦阻力，飛機(jī)的摩擦阻力是因為空氣的粘性造成的。當(dāng)氣流流過物體時，由于粘性，空氣微團(tuán)與物體表面發(fā)生摩擦，阻滯了氣流的流動，這就是物體對空氣的摩擦阻力，反之，空氣對物體也給予了摩擦阻力。摩擦阻力是在邊界層中產(chǎn)生的。所謂邊界層就是緊貼物體表面，流速由外部流體的自由流速逐漸降低到零的那一層薄薄

7、的空氣層。邊界層中氣流的流動情況是不同的。一般機(jī)翼大約在最大厚度之前，邊界層的氣流各層不相混雜而成層地流動，這部分叫做“層流邊界層”。在這之后，氣流的活動轉(zhuǎn)變?yōu)殡s亂無章，并且出現(xiàn)了漩渦和橫向流動，這部分叫做“紊流邊界層”。從“層流邊界層”轉(zhuǎn)變?yōu)?#160;“紊流邊界層”的那一點叫做“轉(zhuǎn)捩點”。 邊界層中的摩擦阻力大小與流動情況有很大關(guān)系，從大量的實踐證明，對于層流流動，物體表面受到的摩擦阻力小，而紊流流動對物面的摩擦阻力大的多。在普通的機(jī)翼表面，既有層流邊界層，又有紊流邊界層，所以為了減小摩擦阻力，人們就千方百計地使物體表面的流動保持層流狀態(tài)，例如通過在機(jī)翼表面上鉆孔，吸除紊流邊界層，這樣就可

8、以達(dá)到減阻的目的。另外，提高加工精度，使層流邊界層盡量的長，延緩轉(zhuǎn)捩點的出現(xiàn)，甚至抑制它的出現(xiàn)，也可以起到很好的效果。這些都是飛機(jī)設(shè)計中的層流機(jī)翼的概念。物體表面受到的摩擦阻力還跟物體的表面積有關(guān)系，面積越大，阻力也越大。因此在人們試圖減小飛行阻力的時候，減小飛機(jī)的尾翼或者機(jī)翼的面積也是一個有效的方法。當(dāng)然前提條件是保證產(chǎn)生足夠的升力和控制力。例如使用推力矢量技術(shù)的飛機(jī)，由于有了發(fā)動機(jī)推力直接用于飛行控制，這樣飛機(jī)的尾翼就可以減小或者去除，這樣就可以大大的減小摩擦阻力。誘導(dǎo)阻力 機(jī)翼同一般物體相似，也有摩擦阻力和壓差阻力。對于機(jī)翼而言，這二者合稱“翼型阻力”。機(jī)翼上除翼型阻力外，還有“誘導(dǎo)阻力

9、”（又叫“感應(yīng)阻力”）。這是機(jī)翼所獨有的一種阻力。因為這種阻力是伴隨著機(jī)翼上舉力的產(chǎn)生而產(chǎn)生的。也許可以說它是為了產(chǎn)生舉力而付出的一種代價。 如果有一架飛機(jī)以某一正迎角a作水平飛行，它的機(jī)翼上面的壓強(qiáng)將降低，而下面的壓強(qiáng)將增高，加上空氣摩擦力，于是產(chǎn)生了舉力Y。這是氣流作用到機(jī)翼上的力，根據(jù)作用和反作用定律，必然有一個反作用力即負(fù)舉刀力（-Y），由機(jī)翼作用到氣流上，它的方向向下，所以使氣流向下轉(zhuǎn)折一個角度a，這一角度叫“下洗角”。隨著下洗角的出現(xiàn)，同時出現(xiàn)了氣流向下的速度。這一速度叫做“下洗速（w）”。下洗的存在還可由風(fēng)洞實驗觀察出來。 由實驗可知： 當(dāng)飛機(jī)飛行時，下翼面壓強(qiáng)大、上翼面壓強(qiáng)小。

10、由于翼展的長度是有限的，所以上下翼面的壓強(qiáng)差使得氣流從下翼面繞過兩端翼尖，向上翼面流動。當(dāng)氣流繞流過翼尖時，在翼尖那兒不斷形成旋渦。旋渦就是旋轉(zhuǎn)的空氣團(tuán)。隨著飛機(jī)向前方飛行，旋渦就從翼尖向后方流動，并產(chǎn)生了向下的下洗速（w）。下洗速在兩個翼尖處最大，向中心逐漸減小，在中心處減到最小。這是因為旋渦可以誘導(dǎo)四周的空氣隨之旋轉(zhuǎn)，而這又是由于空氣粘性所起的作用?？諝庠谛D(zhuǎn)時，越靠內(nèi)圈，旋轉(zhuǎn)得越快，越靠外圈，旋轉(zhuǎn)得越慢。因此，離翼尖越遠(yuǎn)，氣流垂直向下的下洗速就越小。 圖示的就是某一個翼剖面上的下洗速度。它與原來相對速度v組成了合速度u 。u與v的夾角就是下洗角a1。下洗角使得原來的沖角a減小了

11、。根據(jù)舉力Y原來的函義，它應(yīng)與相對速度v垂直，可是氣流流過機(jī)翼以后，由于下洗速w的作用，使v的方向改變，向下轉(zhuǎn)折一個下洗角a1，而成為u。因此，舉力Y也應(yīng)當(dāng)偏轉(zhuǎn)一角度a1，而與u垂直成為y 1。此處下洗角很小，因而y與y1一般可看成相等?；剡@時飛機(jī)仍沿原來v的方向前進(jìn)。y1既不同原來的速度v垂直，必然在其上有一投影為Q；。它的方向與飛機(jī)飛行方向相反，所起的作用是阻攔飛機(jī)的前進(jìn)。實際上是一種阻力。這種阻力是由舉力的誘導(dǎo)而產(chǎn)生的，因此叫做“誘導(dǎo)阻力”。它是由于氣流下洗使原來的舉力偏轉(zhuǎn)而引起的附加阻力，并不包含在翼型阻力之內(nèi)。 圖中機(jī)翼前面的一排小箭頭表示原來的流速，后面的一排小箭頭則表示

12、流過機(jī)翼后偏轉(zhuǎn)一個角度的流速。誘導(dǎo)阻力同機(jī)翼的平面形狀，翼剖面形狀，展弦比，特別是同舉力有關(guān)。 壓差阻力 “壓差阻力”的產(chǎn)生是由于運(yùn)動著的物體前后所形成的壓強(qiáng)差所形成的。壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的阻力、就是“壓差阻力”。壓差阻力同物體的迎風(fēng)面積、形狀和在氣流中的位置都有很大的關(guān)系。 用刀把一個物體從當(dāng)中剖開，正對著迎風(fēng)吹來的氣流的那塊面積就叫做“迎風(fēng)面積”。如果這塊面積是從物體最粗的地方剖開的，這就是最大迎風(fēng)面積。從經(jīng)驗和實驗都不難證明：形狀相同的物體的最大迎風(fēng)面積越大，壓差阻力也就越大。 物體形狀對壓差阻力也有很大的作用。把一塊圓形的平板，垂直地放在氣流中。它的前后會形成很大的壓差阻力。平板后面會產(chǎn)生大

13、量的渦流，而造成氣流分離現(xiàn)象。如果在圓形平板的前面加上一個圓錐體，它的迎風(fēng)面積并沒有改變，但形狀卻變了。平板前面的高壓區(qū)，這時被圓錐體填滿了。氣流可以平滑地流過，壓強(qiáng)不會急劇升高，顯然這時平板后面仍有氣流分離，低壓區(qū)仍然存在，但是前后的壓強(qiáng)差卻大為減少，因而壓差阻力降低到原來平板壓差阻力的大約五分之一。 如果在平板后面再加上一個細(xì)長的圓錐體，把充滿旋渦的低壓區(qū)也填滿，使得物體后面只出現(xiàn)很少的旋渦，那么實驗證明壓差阻力將會進(jìn)一步降低到原來平板的大約二十到二十五分之象這樣前端圓純、后面尖細(xì)，象水滴或雨點似的物體，叫做“流線形物體”，簡稱“流線體”。在迎風(fēng)面積相同的條件下，它的壓差阻力最小。這時阻力

14、的大部分是摩擦阻力。除了物體的迎風(fēng)面積和形狀外，物體在氣流中的位置也影響到壓差阻力的大小。 物體上的摩擦阻力和壓差阻力合起來叫做“迎面阻力”。一個物體，究竟哪一種阻力占主要部分，這要取決于物體的形狀和位置。如果是流線體，那么它的迎面阻力中主要部分是摩擦阻力。如果形狀遠(yuǎn)離流線體的式樣，那么壓差阻力占主要部分，摩擦阻力則居次要位置，而且總的迎面阻力也較大。 干擾阻力 飛機(jī)上除了摩擦阻力，壓差阻力和誘導(dǎo)阻力以外，還有一種“干擾阻力”值得我們注意，實踐表明，飛機(jī)的各個部件，如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等，單獨放在氣流中所產(chǎn)生的阻力的總和并不等于、而是往往小于把它們組成一個整體時所產(chǎn)生的阻力。所謂“干擾阻力”就是

15、飛機(jī)各部分之間由于氣流相互干擾而產(chǎn)生的一種額外阻力。 如圖所示，氣流流過機(jī)翼和機(jī)身的連接處，由于機(jī)翼和機(jī)身二者形狀的關(guān)系，在這里形成了一個氣流的通道。在A處氣流通道的截面積比較大，到C點翼面最圓拱的地方，氣流通道收縮到最小，隨后到B處又逐漸擴(kuò)大。根據(jù)流體的連續(xù)性定理和伯努利定理，C處的速度大而壓強(qiáng)小，B處的速度小而壓強(qiáng)大，所以在CB一段通道中，氣流有從高壓區(qū)B回流到低壓區(qū) C的趨勢。這就形成了一股逆流。但飛機(jī)前進(jìn)不斷有氣流沿通道向后流，遇到了后面的這股逆流就形成了氣流的阻塞現(xiàn)象，使得氣流開始分離，而產(chǎn)生了很多旋渦。這些旋渦表明氣流的動能有了消耗，因而產(chǎn)生了一種額外的阻力，這一阻力是氣

16、流互相干擾而產(chǎn)生的，所以叫做“干擾阻力”。不但在機(jī)翼和機(jī)身之間可能產(chǎn)生干擾阻力，而且在機(jī)身和尾翼連接處，機(jī)翼和發(fā)動機(jī)短艙連接處，也都可能產(chǎn)生。 從干擾阻力產(chǎn)生的原因來看，它顯然和飛機(jī)不同部件之間的相對位置有關(guān)。如果在設(shè)計飛機(jī)時，仔細(xì)考慮它們的相對位置，使得它們壓強(qiáng)的增加不大也不急劇，干擾阻力就可減小。另外，還可以采取在不同部件的連接處加裝流線型的“整流片”的辦法，使連接處圓滑過渡，盡可能減少漩渦的產(chǎn)生，也可減少“干擾阻力”。 激波阻力 飛機(jī)在空氣中飛行時，前端對空氣產(chǎn)生擾動，這個擾動以擾動波的形式以音速傳播，當(dāng)飛機(jī)的速度小于音速時，擾動波的傳播速度大于飛機(jī)前進(jìn)速度，因此它的傳播方式為四面八方；

17、而當(dāng)物體以音速或超音速運(yùn)動時，擾動波的傳播速度等于或小于飛機(jī)前進(jìn)速度，這樣，后續(xù)時間的擾動就會同已有的擾動波疊加在一起，形成較強(qiáng)的波，空氣遭到強(qiáng)烈的壓縮、而形成了激波。 空氣在通過激波時，受到薄薄一層稠密空氣的阻滯，使得氣流速度急驟降低，由阻滯產(chǎn)生的熱量來不及散布，于是加熱了空氣。加熱所需的能量由消耗的動能而來。在這里，能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化-由動能變?yōu)闊崮?。動能的消耗表示產(chǎn)生了一種特別的阻力。這一阻力由于隨激波的形成而來，所以就叫做"波阻"。從能量的觀點來看，波阻就是這樣產(chǎn)生的。 從機(jī)翼上壓強(qiáng)分布的觀點來看， 波阻產(chǎn)生的情況大致如下；根據(jù)對機(jī)翼所作的實驗，在超音速飛行時，機(jī)翼上的

18、壓強(qiáng)分布如圖所示。在亞音速飛行情況下，機(jī)翼上只有摩擦阻力、壓差阻力和誘導(dǎo)阻力。它的壓力分布如圖中虛線所示。對圖中兩種不同的飛行情況壓強(qiáng)分布加以比較，可以看出：在亞音速飛行情況下，最大稀薄度靠前，壓強(qiáng)分布沿著與飛行相反的方向上的合力，不是很大，即阻力不是很大，其中包括翼型阻力和誘導(dǎo)阻力。 可是在超音速飛行情況下，壓強(qiáng)分布變化非常大，最大稀薄度向后遠(yuǎn)遠(yuǎn)地移動到尾部，而且向后傾斜得很厲害，同時它的絕對值也有增加。因此，如果不考慮機(jī)翼頭部壓強(qiáng)的升高，那么壓強(qiáng)分布沿與飛行相反方向的合力，急劇增大，使得整個機(jī)翼的總阻力相應(yīng)有很大的增加。這附加部分的阻力就是波阻。由于它來自機(jī)翼前后的壓力差，所以波阻實際上是

19、一種壓差阻力。當(dāng)然，如果飛機(jī)或機(jī)翼的任何一點上的氣流速度不接過音速，是不會產(chǎn)生激波和波阻的。 阻力對于飛機(jī)的飛行性能有很大的影響，特別是在高速飛行時，激波和波阻的產(chǎn)生，對飛機(jī)的飛行性能的影響更大。這是因為波阻的數(shù)值很大，能夠消耗發(fā)動機(jī)一大部分動力。例如當(dāng)飛行速度在音速附近時，根據(jù)計算，波阻可能消耗發(fā)動機(jī)大約全部動力的四分之三。這時阻力系數(shù)Cx急驟地增長好幾倍。這就是由于飛機(jī)上出現(xiàn)了激波和波阻的緣故。 由上面所說的看來， 波阻的大小顯然同激波的形狀有關(guān)，而激波的形狀在飛行M數(shù)不變的情況下；又主要決定于物體或飛機(jī)的形狀，特別是頭部的形狀。按相對于飛行速度（或氣流速度）成垂直或成偏斜的狀態(tài)，有正激波

20、和斜激波兩種不同的形狀。成垂直的是正激波，成偏斜的是斜激波。 在飛行M數(shù)超過 1時（例如M等于 2），如果物體的頭部尖削，象矛頭或刀刃似的，形成的是斜激波；如果物體的頭部是方楞的或圓鈍的，在物體的前面形成的則是正激波。正激波沿著上下兩端逐漸傾斜，而在遠(yuǎn)處成為斜激波，最后逐漸減弱成為弱擾動的邊界波。斜激波的情況也是一樣的，到末端也逐漸減弱而轉(zhuǎn)化為邊界波。在正激波之后的一小塊空間，氣流穿過正激波，消耗的動能很大，總是由超音速降低到亞音速，在這里形成一個亞音速區(qū)。 M數(shù)的大小也對激波的形狀有影響。當(dāng)M數(shù)等于 1或稍大于 1（例如M 1.042）時，在

21、尖頭（如炮彈）物體前面形成的是正激波。如果M數(shù)超過1相當(dāng)多（例如M2.479），形成的則是斜激波。 正激波的波阻要比斜激波大，因為在正激波下，空氣被壓縮得很厲害，激波后的空氣壓強(qiáng)和密度上升的最高，激波的強(qiáng)度最大，當(dāng)超音速氣流通過時，空氣微團(tuán)受到的阻滯最強(qiáng)烈，速度大大降低，動能消耗很大，這表明產(chǎn)生的波阻很大；相反的，斜激波對氣流的阻滯較小，氣流速度降低不多，動能的消耗也較小，因而波阻也較小。斜激波傾斜的越厲害，波阻就越小。 【加強(qiáng)圖】 仔細(xì)看啊 從機(jī)翼截面觀察氣體流場狀態(tài)！ 下圖所示為： 飛機(jī)在轉(zhuǎn)彎時的受力情況。假定飛機(jī)的飛行方向是由外飛進(jìn)屏幕里，即飛機(jī)是在做左轉(zhuǎn)彎。此時飛行員向左側(cè)壓桿，使左側(cè)副翼上翻、右側(cè)副翼下翻，在左翼上產(chǎn)生向下的力 Fa、右翼