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飛機的升力

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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。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，又是靠什么力量飛上天空的呢？

 

相信大家小時候都玩過風箏或是竹蜻蜓，這兩種小小的玩意構(gòu)造十分簡單，但卻蘊含著深刻的飛行原理。飛機的機翼包括固定翼和旋翼兩種，風箏的升空原理與滑翔機有一些類似，都是靠迎面氣流吹動而產(chǎn)生向上的升力，但與固定翼的飛機有一定的差別，而旋翼機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？

 

流體力學的基本原理告訴我們，流動慢的大氣壓強較大，而流動快的大氣壓強較小，白紙上面的空氣被吹動，流動較快，壓強比白紙下面不動的空氣小，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，當它在空氣中以一定的速度飛行時，根據(jù)相對運動的原理，機翼相對于空氣的運動可以看作是機翼不動，而空氣氣流以一定的速度流過機翼?？諝獾牧鲃釉谌粘Ｉ钪惺强床灰姷?，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。流過機翼的氣流與河床中的流水類似，由于機翼一般是不對稱的，上表面比較凸，而下表面比較平，流過機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)流體力學的基本原理，流動慢的大氣壓強較大，而流動快的大氣壓強較小，這樣機翼下表面的壓強就比上表面的壓強高，換一句話說，就是大氣施加與機翼下表面的壓力（方向向上）比施加于機翼上表面的壓力（方向向下）大，二者的壓力差便形成了飛機的升力。

 

當飛機的機翼為對稱形狀，氣流沿著機翼對稱軸流動時，由于機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，此時機翼不產(chǎn)生升力。但是當對稱機翼以一定的傾斜角（稱為攻角或迎角）在空氣中運動時，就會出現(xiàn)與非對稱機翼類似的流動現(xiàn)象，使得上下表面的壓力不一致，從而也會產(chǎn)生升力。

飛機的阻力

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凡是懂得物理知識的人都知道，飛機在飛行的過程中機體上所受的力是平衡的。飛機的重力與飛機產(chǎn)生的升力平衡，而飛機的發(fā)動機的作用則是克服飛機所受的阻力推動飛機前進，使得飛機相對于空氣運動，從而產(chǎn)生升力。大家肯定要想，飛機發(fā)動機的功率那么大，難道飛機上所受的阻力有那么大嗎？的確，飛機在高速飛行的同時，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，飛機所受的阻力可以分為摩擦阻力、壓差阻力、誘導阻力、干擾阻力、激波阻力等。

 

摩擦阻力：

當兩個物體相互滑動的時候，在兩個物體上就會產(chǎn)生與運動方向相反的力，阻止兩個物體的運動，這就是物體之間的摩擦阻力。當飛機在空氣中飛行時，飛機也會受到空氣的摩擦阻力，這是因為空氣的粘性造成的。當氣流流過物體時，由于粘性空氣微團與物體表面發(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的空氣層。邊界層中氣流的流動情況是不同的，一般機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)?“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，而紊流流動對物體表面的摩擦阻力大的多。在普通的機翼表面，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)，例如通過在機翼表面上鉆孔，吸除紊流邊界層，這樣就可以達到減阻的目的。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。這些都是飛機設計中的層流機翼的概念。

 

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，減小飛機的尾翼或者機翼的面積也是一個有效的方法。當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，由于有了發(fā)動機推力直接用于飛行控制，這樣飛機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。

 

誘導阻力：

機翼同一般物體相似，也有摩擦阻力和壓差阻力。對于機翼而言，這二者合稱“翼型阻力”。機翼上除翼型阻力外，還有“誘導阻力”（又叫“感應阻力”）。這是機翼所獨有的一種阻力。因為這種阻力是伴隨著機翼上舉力的產(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。

 

如果有一架飛機以某一正迎角a作水平飛行，它的機翼上面的壓強將降低，而下面的壓強將增高，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舉刀力 (-Y)，由機翼作用到氣流上，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洞實驗觀察出來。

 

由實驗可知：當飛機飛行時，下翼面壓強大、上翼面壓強小。由于翼展的長度是有限的，所以上下翼面的壓強差使得氣流從下翼面繞過兩端翼尖，向上翼面流動。當氣流繞流過翼尖時，在翼尖那兒不斷形成旋渦。旋渦就是旋轉(zhuǎn)的空氣團。隨著飛機向前方飛行，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，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。根據(jù)舉力Y原來的函義，它應與相對速度v垂直，可是氣流流過機翼以后，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也應當偏轉(zhuǎn)一角度a1，而與u垂直成為y1。此處下洗角很小，因而y與y1一般可看成相等。回這時飛機仍沿原來v的方向前進。y1既不同原來的速度v垂直，必然在其上有一投影為Q；。它的方向與飛機飛行方向相反，所起的作用是阻攔飛機的前進。實際上是一種阻力。這種阻力是由舉力的誘導而產(chǎn)生的，因此叫做“誘導阻力”。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流過機翼后偏轉(zhuǎn)一個角度的流速。誘導阻力同機翼的平面形狀，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)生是由于運動著的物體前后所形成的壓強差所形成的。壓強差所產(chǎn)生的阻力、就是“壓差阻力”。壓差阻力同物體的迎風面積、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中剖開，正對著迎風吹來的氣流的那塊面積就叫做“迎風面積”。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，象水滴或雨點似的物體，叫做“流線形物體”，簡稱“流線體”。在迎風面積相同的條件下，它的壓差阻力最小。這時阻力的大部分是摩擦阻力。除了物體的迎風面積和形狀外，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

飛機上除了摩擦阻力，壓差阻力和誘導阻力以外，還有一種“干擾阻力”值得我們注意，實踐表明，飛機的各個部件，如機翼、機身、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”就是飛機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，氣流流過機翼和機身的連接處，由于機翼和機身二者形狀的關(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處的速度大而壓強小，B處的速度小而壓強大，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。但飛機前進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，這一阻力是氣流互相干擾而產(chǎn)生的，所以叫做“干擾阻力”。不但在機翼和機身之間可能產(chǎn)生干擾阻力，而且在機身和尾翼連接處，機翼和發(fā)動機短艙連接處，也都可能產(chǎn)生。

 

從干擾阻力產(chǎn)生的原因來看，它顯然和飛機不同部件之間的相對位置有關(guān)。如果在設計飛機時，仔細考慮它們的相對位置，使得它們壓強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，當飛機的速度小于音速時，擾動波的傳播速度大于飛機前進速度，因此它的傳播方式為四面八方；而當物體以音速或超音速運動時，擾動波的傳播速度等于或小于飛機前進速度，這樣，后續(xù)時間的擾動就會同已有的擾動波疊加在一起，形成較強的波，空氣遭到強烈的壓縮、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。

 

從機翼上壓強分布的觀點來看，波阻產(chǎn)生的情況大致如下；根據(jù)對機翼所作的實驗，在超音速飛行時，機翼上的壓強分布如圖所示。在亞音速飛行情況下，機翼上只有摩擦阻力、壓差阻力和誘導阻力。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阻力。

 

可是在超音速飛行情況下，壓強分布變化非常大，最大稀薄度向后遠遠地移動到尾部，而且向后傾斜得很厲害，同時它的絕對值也有增加。因此，如果不考慮機翼頭部壓強的升高，那么壓強分布沿與飛行相反方向的合力，急劇增大，使得整個機翼的總阻力相應有很大的增加。這附加部分的阻力就是波阻。由于它來自機翼前后的壓力差，所以波阻實際上是一種壓差阻力。當然，如果飛機或機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)動機一大部分動力。例如當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M數(shù)等于1或稍大于1（例如M=1.042）時，在尖頭（如炮彈）物體前面形成的是正激波。如果M數(shù)超過1相當多（例如M=2.479），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，激波后的空氣壓強和密度上升的最高，激波的強度最大，當超音速氣流通過時，空氣微團受到的阻滯最強烈，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。