飛行原理論文

飛行原理論文——張興鵬要理解飛機的飛行原理就必須先懂得飛機的構成以及功用，飛機的升力是如何產(chǎn)生的等問題。這些問題將分成幾個部分簡要解說。一、飛行的重要構成部分及功用到現(xiàn)在為止，除了少數(shù)特殊形式的飛機外，大多數(shù)飛機都由機翼、機身、尾翼、起落裝置和動力裝置五個重要部分構成：1.機翼——機翼的重要功用是產(chǎn)生升力，以支持飛機在空中飛行，同時也起到一定的穩(wěn)定和操作作用。在機翼上普通安裝有副翼和襟翼，操縱副翼可使飛機滾轉，放下襟翼可使升力增大。機翼上還可安裝發(fā)動機、起落架和油箱等。不同用途的飛機其機翼形狀、大小也各有不同。2.機身——機身的重要功用是裝載乘員、旅客、武器、貨品和多個設備，將飛機的其它部件如：機翼、尾翼及發(fā)動機等連接成一種整體。3.尾翼——尾翼涉及水平尾翼和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可動的升降舵構成，有的高速飛機將水平安定面和升降舵合為一體成為全動平尾。垂直尾翼涉及固定的垂直安定面和可動的方向舵。尾翼的作用是操縱飛機俯仰和偏轉，確保飛機能平穩(wěn)飛行。4.起落裝置——飛機的起落架大都由減震支柱和機輪構成，作用是起飛、著陸滑跑，地面滑行和停放時支撐飛機。5.動力裝置——動力裝置重要用來產(chǎn)生拉力和推力，使飛機邁進。另首先還可為飛機上的其它用電設備提供電源等。現(xiàn)在飛機動力裝置應用較廣泛的有：航空活塞式發(fā)動機加螺旋槳推動器、渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪電扇發(fā)動機。除了發(fā)動機本身，動力裝置還涉及一系列確保發(fā)動機正常工作的系統(tǒng)。飛機上除了這五個重要部分外，根據(jù)飛機操作和執(zhí)行任務的需要，還裝有多個儀表、通訊設備、領航設備、安全設備等其它設備。二、飛機的升力和阻力飛機是重于空氣的飛行器，當飛機飛行在空中，就會產(chǎn)生作用于飛機的空氣動力，飛機就是靠空氣動力升空飛行的。在理解飛機升力和阻力的產(chǎn)生之前，我們還要認識空氣流動的特性，即空氣流動的基本規(guī)律。流動的空氣就是氣流，一種流體，這里我們要引用兩個流體定理：持續(xù)性定理和伯努利定理：流體的持續(xù)性定理：當流體持續(xù)不停而穩(wěn)定地流過一種粗細不等的管道時，由于管道中任何一部分的流體都不能中斷或擠壓起來，因此在同一時間內(nèi)，流進任一切面的流體的質(zhì)量和從另一切面流出的流體質(zhì)量是相等的。持續(xù)性定理敘述了流體在流動中流速和管道切面之間的關系。流體在流動中，不僅流速和管道切面互相聯(lián)系，并且流速和壓力之間也互相聯(lián)系。伯努利定理就是要敘述流體流動在流動中流速和壓力之間的關系。伯努利定理基本內(nèi)容：流體在一種管道中流動時，流速大的地方壓力小，流速小的地方壓力大。飛機的升力絕大部分是由機翼產(chǎn)生，尾翼普通產(chǎn)生負升力，飛機其它部分產(chǎn)生的升力很小，普通不考慮。從上圖我們能夠看到：空氣流到機翼前緣，分成上、下兩股氣流，分別沿機翼上、下表面流過，在機翼后緣重新匯合向后流去。機翼上表面比較凸出，流管較細，闡明流速加緊，壓力減少。而機翼下表面，氣流受阻擋作用，流管變粗，流速減慢，壓力增大。這里我們就引用到了上述兩個定理。于是機翼上、下表面出現(xiàn)了壓力差，垂直于相對氣流方向的壓力差的總和就是機翼的升力。這樣重于空氣的飛機借助機翼上獲得的升力克服本身因地球引力形成的重力，從而翱翔在藍天上了。機翼升力的產(chǎn)生重要靠上表面吸力的作用，而不是靠下表面正壓力的作用，普通機翼上表面形成的吸力占總升力的60-80%左右，下表面的正壓形成的升力只占總升力的20-40%左右。飛機飛行在空氣中會有多個阻力，阻力是與飛機運動方向相反的空氣動力，它妨礙飛機的邁進，這里我們也需要對它有所理解。按阻力產(chǎn)生的因素可分為摩擦阻力、壓差阻力、誘導阻力和干擾阻力。1.摩擦阻力——空氣的物理特性之一就是粘性。當空氣流過飛機表面時，由于粘性，空氣同飛機表面發(fā)生摩擦，產(chǎn)生一種制止飛機邁進的力，這個力就是摩擦阻力。摩擦阻力的大小，決定于空氣的粘性，飛機的表面狀況，以及同空氣相接觸的飛機表面積?？諝庹承栽酱?、飛機表面越粗糙、飛機表面積越大，摩擦阻力就越大。2.壓差阻力——人在逆風中行走，會感到阻力的作用，這就是一種壓差阻力。這種由前后壓力差形成的阻力叫壓差阻力。飛機的機身、尾翼等部件都會產(chǎn)生壓差阻力。3.誘導阻力——升力產(chǎn)生的同時還對飛機附加了一種阻力。這種因產(chǎn)生升力而誘導出來的阻力稱為誘導阻力，是飛機為產(chǎn)生升力而付出的一種“代價”。其產(chǎn)生的過程較復雜這里就不在詳訴。4.干擾阻力——它是飛機各部分之間因氣流互相干擾而產(chǎn)生的一種額外阻力。這種阻力容易產(chǎn)生在機身和機翼、機身和尾翼、機翼和發(fā)動機短艙、機翼和副油箱之間。以上四種阻力是對低速飛機而言，至于高速飛機，除了也有這些阻力外，還會產(chǎn)生波阻等其它阻力。三、影響升力和阻力的因素升力和阻力是飛機在空氣之間的相對運動中（相對氣流）中產(chǎn)生的。影響升力和阻力的基本因素有：機翼在氣流中的相對位置（迎角）、氣流的速度和空氣密度以及飛機本身的特點（飛機表面質(zhì)量、機翼形狀、機翼面積、與否使用襟翼和前緣翼縫與否張開等）。1.迎角對升力和阻力的影響——相對氣流方向與翼弦所夾的角度叫迎角。在飛行速度等其它條件相似的狀況下，得到最大升力的迎角，叫做臨界迎角。在不大于臨界迎角范疇內(nèi)增大迎角，升力增大：超出臨界臨界迎角后，再增大迎角，升力反而減小。迎角增大，阻力也越大，迎角越大，阻力增加越多：超出臨界迎角，阻力急劇增大。2.飛行速度和空氣密度對升力阻力的影響——飛行速度越大升力、阻力越大。升力、阻力與飛行速度的平方成正比例，即速度增大到原來的兩倍，升力和阻力增大到原來的四倍：速度增大到原來的三倍，勝利和阻力也會增大到原來的九倍。空氣密度大，空氣動力大，升力和阻力自然也大?？諝饷芏仍龃鬄樵瓉淼膬杀叮妥枇σ苍龃鬄樵瓉淼膬杀?，即升力和阻力與空氣密度成正比例。3，機翼面積，形狀和表面質(zhì)量對升力、阻力的影響——機翼面積大，升力大，阻力也大。升力和阻力都與機翼面積的大小成正比例。機翼形狀對升力、阻力有很大影響，從機翼切面形狀的相對厚度、最大厚度位置、機翼平面形狀、襟翼和前緣翼縫的位置到機翼結冰都對升力、阻力影響較大。尚有飛機表面光滑與否對摩擦阻力也會有影響，飛機表面相對光滑，阻力相對也會較小，反之則大用力的平衡來解釋比較適宜，飛機在空中作勻速運動時作用在飛機上的歷史平衡的：飛機引擎向前的推立和向后的阻力相等，飛機向下的重力和向上的推力相等，其中向上的阻力和向后的阻力時有一種力分解來的，就是“\”型的機翼所受到空氣作用向后上方的推力，飛機的起飛和降落、加速和減速就是靠變換機翼的角度和調(diào)節(jié)引擎的速度來實現(xiàn)的。行原理介紹（二）飛機能自由地飛行在空中，靠的是飛行員對飛機對的的操控。飛行員操作飛機，就是運用油門、桿、舵變化飛機的空氣動力和力矩，從而變化飛行狀態(tài)。為理解飛機的操作原理我們就需要懂得飛機的平衡、安定性和操作性等有關知識。下面從這三方面開始簡要解說飛機的飛行操作原理。為了讓大家理解其中的術語，我們先介紹某些基礎知識：飛機的重心和飛機的坐標軸飛機的重心：飛機的各部件燃料、乘員、貨品等重力之和是飛機的重力，飛機重力的著力點叫做飛機重心。飛機的坐標軸也叫機體軸是以機體為基準，通過飛機重心的三條互相垂直的坐標軸。一、飛機的平衡、安定性和操作性（一）.飛機的平衡是指作用于飛機的各力之和為零，各力重心所構成的各力矩之和也為零。飛機處在平衡狀態(tài)時，飛機速度的大小和方向都保持不變，也不繞重心轉動。飛機的平衡涉及俯仰平衡、方向平衡和橫側平衡。①飛機的俯仰平衡是指作用于飛機的各俯仰力矩之和為零。飛機獲得平衡后，不繞縱軸轉動，迎角保持不變。作用于飛機的俯仰力矩諸多，重要有：機翼力矩、水平尾翼力矩及拉力（推力）力矩。影響俯仰平衡的因素：加減油門，收放襟翼、收放起落架和重心變化等。飛行中，影響飛機俯仰的因素是經(jīng)常存在的。為了保持飛機的俯仰平衡，飛行員可前后移動駕駛桿偏轉升降舵或使用調(diào)節(jié)片，產(chǎn)生操縱力矩，來保持力矩的平衡。②飛機的方向平衡是作用于飛機的各偏轉力矩之和為零。飛機獲得方向平衡后，不繞立軸轉動，側滑角不變或沒有側滑角。影響飛機方向平衡的因素：飛機一邊機翼變形，左右兩翼阻力不等；多發(fā)動機飛機，左右兩邊發(fā)動機工作狀態(tài)不同，或者一邊發(fā)動機停車，從而產(chǎn)生不對稱拉力；螺旋槳發(fā)動機，油門變化，螺旋槳滑流引發(fā)的垂直尾翼力矩隨之變化。飛機的方向平衡受破壞時最有效的克服辦法就是適宜蹬舵或使用方向舵調(diào)節(jié)片，運用偏轉方向舵產(chǎn)生的方向操縱力矩來平衡使機頭偏轉的力矩，從而保持飛機的方向平衡。③飛機的橫側平衡是作用于飛機的各滾轉力矩之和為零。飛機獲得橫側平衡后，不繞縱軸滾轉，坡度不變或沒有坡度。作用于飛機的滾轉力矩，重要有兩翼升力對重心形成的力矩：螺旋槳旋轉時的反作用力矩。影響飛機的橫側平衡：飛機一邊機翼變形，兩翼升力不等；螺旋槳發(fā)動機，油門變化，螺旋槳反作用力矩隨之變化；重心左右移動（如兩翼油箱耗油量不等），兩翼升力作用點至重心的力臂變化，形成附加滾轉力矩。飛機的橫側平衡受破壞時，飛行員保持平衡最有效的辦法就是適宜左右壓駕駛桿或使用副翼調(diào)節(jié)片，運用偏轉副翼產(chǎn)生的橫側操縱力矩來平衡使飛機滾轉的力矩，以保持飛機的橫側平衡。飛機的方向平衡和橫側平衡是互相聯(lián)系、互相依賴的，方向平衡受到破壞，如不修正就會引發(fā)橫側平衡的破壞。（二）.飛機的安定性就是飛行中，當飛機受微小擾動（如陣風、發(fā)動機工作不均衡、舵面的偶然偏轉等）而偏離原來的平衡狀態(tài)，并在擾動消失后，不經(jīng)飛行員操縱，飛機自動恢復原來平衡狀態(tài)的特性。飛機的安定性涉及：俯仰安定性、方向安定性和橫側安定性。飛機安定性的的強弱，普通由擺動衰減時間、擺動幅度、擺動次數(shù)來衡量。當飛機受到擾動后，恢復原來平衡狀態(tài)時間越短，擺動幅度越小，擺動次數(shù)越少，飛機的安定性就越強。飛機安定性的強弱，重要取決于飛機的重心位置、飛行速度、飛行高度和迎角的變化。（三）.飛機除應有必要的安定性外，還應有良好的操作性，這樣才干確保飛行員故意識的飛行。飛機的操作性是只指飛機在飛行員操縱升降舵、方向舵和副翼下變化其飛行狀態(tài)的特性。操縱動作簡樸、省力，飛機反映快，操作性就好，反之則不。飛機的操縱性同樣涉及俯仰操縱性、方向操縱性和橫側操縱性。①飛機的俯仰操縱性是飛行員操縱駕駛桿使升降舵偏轉之后，飛機繞橫軸轉動而變化迎角等飛行狀態(tài)的特性。在直線飛行中，飛行員向后拉駕駛桿，升降舵向上偏轉一種角度，在水平尾翼上產(chǎn)生向下的附升力，對飛機重心形成俯仰操作力矩，迫使機頭上仰，迎角增大。駕駛桿前后的每個位置對應著一種迎角或飛行速度。飛行中，升降舵偏轉角越大，氣流動力越大，升降舵上的空氣動力也越大，從而樞軸力矩也越大，所需桿力（飛行員操縱駕駛桿所施加的力）也越大。在模擬飛行中，如果使用微軟的力回饋搖桿這種力能夠體驗到。②飛機的方向操縱性，就是在飛行員操縱方向舵后，飛機繞立軸偏轉而變化其側滑角等飛行特性。與俯仰角相似，在直線飛行中，每一種腳蹬位置，對應著一種側滑角，蹬右舵，飛機產(chǎn)生左側滑；蹬左舵，飛機產(chǎn)生右側滑。方向舵偏轉后，同樣產(chǎn)生方向舵樞軸力矩，飛行員需要用力蹬舵才干保持方向舵偏轉角不變。方向舵偏轉角越大，氣動動壓越大，蹬舵力越大。③飛機的橫側操縱性是指在飛行員操縱副翼后，飛機繞縱軸滾轉而變化滾轉角速度、坡度等飛行狀態(tài)的特性。例如：飛行員向左壓駕駛盤，右副翼下偏，右翼升力增大，左副翼上偏，左翼升力減小，兩翼升力之差，形成橫側操縱力矩，使飛機向左加速滾轉。在橫側操縱中，駕駛盤左右轉動的每一種位置，都對應著一種滾轉角速度。駕駛盤左右轉動的角度越大，滾轉角速度越大。如果飛行員要想保持一定的坡度，就必須在靠近預定坡度時將盤回到中立位置，消除橫側操縱力矩，在橫側阻轉力矩的制止下，使?jié)L轉角速度消失。有時，飛行員甚至能夠向飛機滾轉的反方向壓一點駕駛盤，快速制止飛機滾轉，使飛機精確地達成預定飛行坡度。飛機的操縱性不是一成不變的，它要受到許多因素的制約，影響飛機操縱性的因素有飛機重心位置的前后移動、飛行的速度、飛行高度、迎角等。飛行原理介紹（三）這部分我們要理解飛機最簡樸的運動形式：平飛、上升和下降。平飛、上升和下降指的是飛機既不帶傾斜也不帶側滑的等速直線飛行。這也是飛機最基本的飛行狀態(tài)。飛機平飛、上升和下降性能是飛機最基本的飛行性能，如：平飛最大速度、平飛最小速度、最大上升角、最大上升率，升限、最小下降角、最大下降距離等，這些都是飛行員首先要學習和掌握的。一.平飛飛機作等速直線水平的飛行，叫平飛。平飛中作用于飛機的外力有升力、重力、拉力（或推力）和阻力。平飛時，飛機無轉動，各力對重心的力矩互相平衡，且上述各力均通過飛機重心。為保持平飛，需要有足夠的升力以平衡飛機的重量，為了產(chǎn)生這一升力所需的飛行速度，叫平飛所需速度影響平飛所需速度的因素：飛機重量在其它因素都不變的條件下，飛機重量越重，為保持平飛所需的升力就越大，故平飛所需速度也越大。相反，飛機重量越輕，平飛所需速度就越小。機翼面積機翼面積大，升力也大。為了獲得同樣大的升力以平衡飛機重量，所需平飛速度就小。反之，機翼面積小，平飛所需速度就大?？諝饷芏瓤諝饷芏刃。σ残?，為了獲得同樣大的升力以平衡飛機重量，平飛所需速度就增大。反之，空氣密度大，平飛所需速度就減小，空氣密度的大小是隨飛行高度以及該高度的氣溫氣壓而變化的，飛行高度升高，或在同一高度上，氣溫升高或氣壓減少，空氣密度都會減小。反之增大。升力系數(shù)升力系數(shù)大，平飛所需速度就小。由于，升力系數(shù)大，升力大，只需較小的速度就能獲得平衡飛機重量的升力。反之，升力系數(shù)小，平飛所需速度就大。而升力系數(shù)的大小又決定于飛機迎角的大小和增升裝置的使用狀況。迎角不同，開力系數(shù)不同，平飛所需速度也就不同。在不大于臨界迎角的范疇內(nèi)，用大迎角平飛，升力系數(shù)大，平飛所需速度就小，用小迎角平飛，升力系數(shù)小，平飛所需速度就大，即是說，平飛中每一種迎角都有一種與之對應的平飛所需速度。增升裝置的使用狀況不同，升力系數(shù)大小也不同，平飛所需速度也將下同樣。（例如放襟翼起飛，由于升力系數(shù)大，為平衡飛機重量所需的速度就小，即離地速度小，起飛滑跑距離就短）。1.最大平飛速度，在一定的高度和重量下，發(fā)動機加滿油門時，飛機所能達成的穩(wěn)定平飛速度，就是飛機在該高度上的最大平飛速度。平飛最大速度是理論上飛機平飛所能達成的最大速度，而并不是飛機實際的最大使用速度，由于飛機強度等限制，最大使用速度比平飛最大速度可能要小。例如三叉戟飛機，在海平面，原則大氣，全收狀態(tài)下，平飛最大速度為480海里/小時，而最大使用速度則規(guī)定為365海里/小時。2.平飛最小速度，是飛機作等速平飛所能保持的最小速度。如有足夠的可用拉力或可用功率，那么平飛最小速度的大小受最大升力系數(shù)的限制。由于臨界迎角的升力系數(shù)最大，因此與臨界迎角相對應的平飛速度（失速速度），就是平飛最小速度。對飛機的規(guī)定來說，平飛最小速度越小越好，因平飛最小速度越小，飛機就可用更小的速度接地，以改善飛機的著陸性能。臨界迎角對應的平飛速度，是平飛的最小理論速度。事實上當飛機靠近臨界迎角時，由于機翼上氣流嚴重分離，飛機出現(xiàn)強烈抖動，飛機不僅易失速并且安定性、操縱性都差。因此事實上要以該速度平飛是不可能的。為確保安全，對飛行迎角的使用應留有一定的余量，不允許在臨界迎角狀態(tài)飛行。3.平飛有利速度就是以有利迎角保持平飛的速度。以有利速度平飛，升阻比最大平飛阻力最小，航程較遠。4.經(jīng)濟速度就是用最小所需功率作水平飛行時的速度。用經(jīng)濟速度平飛所需功率最小，即所用發(fā)動機的功率最小，比較省油，航時較長。與經(jīng)濟速度相對應的迎角，叫經(jīng)濟迎角。在平飛中變化速度的基本操縱辦法是：要增大平飛速度，必須加大油門，并隨著速度的增大而前推駕駛桿；同理，要減小平飛速度則必須收個油門，并隨著速度的減小而后拉駕駛桿。也就是說，從一種平飛狀態(tài)變化到另一種乎飛狀態(tài)，必須同時操縱油門和駕駛桿。另外，對螺旋槳飛機正必頂要修正因加減油門而引發(fā)的螺旋槳副作用的影響。但是必須指出，上述變化平飛速度的操縱規(guī)律只有在不不大于經(jīng)濟速度的范疇內(nèi)才適合。二.上升飛機沿向上傾斜的軌跡所作的等速直線飛行就叫上升。上升是飛機獲得高度的基本辦法。上升中作用于飛機的外力和平飛相似，有升力、重力、拉力（或推力）和阻力。飛機的上升性能重要涉及最大上升角、最大上升率、上升時間和上升程度。1.上升角和上升梯度上升角是飛機上升軌跡與水平線之間的夾角。上升角越大，闡明通過同樣的水平距離后，上升的高度越高。上升高度與水平距離的比值，就是上升梯度。飛機的剩余拉力（或剩余推力）越大，或飛機重量越輕，則上升角和上升梯度越大。2.上升率和最快上升速度在上升中，飛機每秒鐘所上升的高度，叫上升率，也叫上升垂直速度，上升率越大，表明飛機上升到一定高度所需的時間越短，飛機就能快速獲得高度。因此說，飛機的最大上升率是飛機重要的飛行性能之一。剩余功率越大，或飛機重量越輕功率越大。由于飛機上升的過程，實際就是將剩余功率變成勢能的過程。在飛機重量不變的狀況下，剩余功率越大，飛機在單位時間內(nèi)增加的勢能就越多，上升率也就越大。在剩余功率一定的狀況下，飛機重量越輕，在單位時間內(nèi)上升的高度越高、上升率也就越大。在重量一定的狀況下升率的大小重要決定于剩余功率的大小，而剩余功率的大小又決定于油門位置和上升速度。在油門位置一定的狀況下，用不同速度上升，由于剩余功率大小不同，上升率大小也就不同。對低速螺旋槳飛機，加滿油門，在有利速度附近，剩余功率最大，因此用近似有利速度的速度上升，能夠得到最大的上升率。3.上升時間和上升程度上升率的變化決定于剩余功率的變化。因此，上升率隨飛行高度的變化，也就決定于剩余功率隨飛行高度的變化。就能夠擬定出飛機在各個飛行高度上的最大上升率以及最快上升速度。在額定高度以上，隨著高度的升高，發(fā)動機發(fā)出的功率減小，可用功率減小，剩余功率隨之減小。因此，最大上升率隨著高度的升高始終減小。既然最大上升率隨高度的增加要始終減小，那么上升到一定高度，上升率勢必要減小到零。這時飛機不可能再繼續(xù)上升。上升率等于零的高度叫做理論上升程度，簡稱理論升限。飛機上升到預定高度所需的最短時間，叫上升時間。飛機由平飛轉入上升的基本操縱辦法是：加大油門到預定位置，同時柔和后拉駕駛桿，使飛機逐步轉入上升，及至靠近預定上升角（上升率）時，即前推駕駛桿，方便使飛機穩(wěn)定在預定的上升角。必要時，調(diào)節(jié)油門．以保持預定的上升速度。對螺旋槳飛機，還應注意修正螺旋槳副作用的影響。飛機由上升轉入平飛，飛行員就應前推駕駛桿，減小迎角，以減小升力。只有升力不大于重力第一分力，飛機產(chǎn)生向下的向心力之后，飛機運動軌跡才會向下彎曲，才可能轉入平飛。飛機由上升轉入平飛的基本操縱辦法是：柔和地前推駕駛桿減小升力，同時收小油門，使飛機逐步轉入平飛，待上升角靠近零時，即后拉駕駛盤保持平飛。必要時調(diào)節(jié)油門，以保持等速平飛，對螺旋槳飛機，還應注意修正螺旋槳副作用的影響。三.下降飛機沿向下傾斜的軌跡所作的等速直線飛行就叫下降。下降是飛機減少高度的基本辦法。下降中作用于飛機的外力和平飛相似，有升力、重力、拉力（或推力）和阻力。飛機的下降根據(jù)需要可用正拉力、零拉力或負拉力進行。拉力近似于零（閉油門）的下降叫下滑。飛機的下降性能重要涉及最小下降角、最小下降率和最大下降距離。1.下降角和下降率下降軌跡與水平線之間的夾角叫下降角。飛機每秒鐘所減少的高度叫下降率。下降率越大，飛機減少高度越快，下降到一定高度的時間就短。2.下降距離飛機下降一定高度所通過的