直升机的飞行原理和空气动力

2.3 飞机上的空气动力作用及原理

飞机之所以能在空气中飞行，最基本的条件是，当它在空中飞行时必须产生一种能克服飞机自身重力并将它托举在空中的力。现代大型运输机的起飞重量 (质量 )一般可达 300 t左右，空气真有那么大的力量能把飞机托举起来吗 ?

作用在飞机上的空气动力包括升力和阻力两部分。升力主要靠机翼来产生，并用来克服飞机自身的重力，而阻力要靠发动机产生的推力来平衡，这样才能保证飞机在空中水平等速直线飞行。为了更好地说明机翼上产生的空气动力，首先研究一下风筝和平板上的空气动力问题。

2 ， 3． 1 平板上的空气动力

很多人都有过在空旷的地面上放风筝的经历，当你拉着风筝迎风奔跑时，风筝就会在风力的作用下缓缓上升，此时风就对风筝产生了一定的空气动力。这个空气动力即包含了一个克服风筝重力使风筝向上升起的“升力” Y(其方向垂直于气流相对速度 v方向 )，又包含了一个阻止风筝前进的“阻力” D(其方向与物体运动方向相反 )，如图 2—11(a)所示。升力和阻力的合力就是作用在风筝上的空气动力。

为了对风筝上的空气动力作进一步的分析，我们把风筝从顶上向下切一刀，取风筝的一个剖面来代替风筝加以研究，如图 2—11(b)所示，研究一下当它和风速成不同的夹角时，作用在它上面的空气动力情况。图中风筝的剖切面与平板剖面相似，如图 2—11(c)所示，因此，下面将通过对平板剖面的研究来说明在风筝上产生空气动力的机理。

图 2-11风筝与风筝剖面

1 ．平板剖面与相对速度夹角为零

当平板剖面与相对速度夹角为零时，气流绕剖面的流动情况如图 2—12所示。当气流流到平板前端时，气流分成两股分别沿剖面上下对称、平滑地向后流去。气流在流动过程中所受的阻滞很小，平板剖面所受的空气动力 R主要是空气沿平板流动时空气与平板之间的摩擦阻力。但总的来说，当平板剖面与气流方向平行时，剖面上产生的空气动力很小，产生的阻力也很小。由于气流对称地流过平板上下剖面，所以不会产生垂直于气流方向的力，即升力。

图 2-12平板剖面与相对速度夹角为零

2 ．平板剖面与相对速度夹角为 90°

当平板剖面与相对速度夹角为 90°时，气流绕剖面的流动情况如图 2—13所示。当气流流到平板剖面的前面时，由于受到剖面的阻拦，速度降低。压强增大，在乎板的前面形成高压区 (用“ +’’号表示 )，在压力作用下，迫使气流绕过平板剖面的上下两端对称地向后流去。在流动过程中，由于惯性作用上下两股气流还没有来得及汇合就继续向后冲去，因此，在乎板的后面形成低压区 (用“一’’号表示 )。由于平板前面压强大，而后面压强小，于是在乎板前后就产生了一个压强差，形成了一个很强的“压差阻力”，再加上空气与平板之间产生的摩擦力，就产生了一个作用在平板剖面的总的向后的空气动力 R。这个空气动力是阻止平板向前运动的，因此全部都是阻力。

如图 2—13所示，由于低压区的空气受向前冲的气流的带动，产生了许多旋涡，这种气流脱离物体 (如平板剖面 )的现象叫“气流分离”。

图 2-13平板剖面与相对气流夹角为 90°

3 ．平板剖面与相对速度成一定角度

当平板剖面与相对速度成一定夹角时，气流绕剖面的流动情况如图 2—14所示。此时气流沿平板的流动变得上下不对称了。当气流流到平板剖面的前面时，受到剖面的阻拦，速度降低。压强增大，气流分成上下两股绕剖面向后流动，并在平板后面形成低压区．产生气流分离，平板前后形成了压强差，再考虑到空气与平板之间产生的摩擦力 F，就形成了总的空气动力 R。

图 2-14 平板剖面与相对速度成一定角度

由于平板剖面与气流流速成一定夹角，使流经平板剖面的气流上下不再对称，因此产生的空气动力 R的方向也就不再垂直于平板剖面，而是与平板剖面有一定的角度。由于压强差总 是从高压指向低压，因此平板上压强差的作用方向应垂直于平板剖面，并从剖面前方指向剖面 后方，在加上向后的摩擦阻力，所以作用在乎板上的总的空气动力 R应指向剖面的后上方。如果把 R分解成垂直于气流方向的力 y和平行于气流方向的力 D，则 y就是用来克服平板重力的升力，平板或风筝就是靠这个力支持在空中的。而 D的方向与平板的运动方向相反，因此是阻碍平板运动的阻力。

2 ． 3． 2 机翼升力的产生和增升装置

1 升 力的 产生

飞机机翼上产生空气动力的情况与平板相似，所不同的是机翼“翼剖面”的形状一般为流线形。“翼剖面”，通常也叫“翼型”，是指沿平行于飞机对称平面的切平面切割机翼所得到的剖面，如图 2—15所示的阴影部分即为一机翼的翼剖面 ——翼型。翼型最前端的一点叫“前缘”，最后端的一点叫“后缘”，前缘和后缘之间的连线叫“翼弦”。翼弦与相对气流速度 v之间的夹角ɑ叫“迎角”。

空气动力作用点； 2-前缘； 3-后缘； 4-翼弦
图 2-15 翼型和作用在翼型上的空气动力

如果要想在翼型上产生空气动力，和平板一样，必须让它与空气有相对运动，或者说必须有具有一定速度的气流流过翼剖面。现在将一个翼型放在流速为 v的气流中，如图 2—15所示。假设翼型有一个不大的迎角ɑ，当气流流到翼型的前缘时，气流分成上下两股分别流经翼型的上下翼面。由于翼型的作用，当气流流过上翼面时流动通道变窄，气流速度增大，压强降低，并低于前方气流的大气压；而气流流过下翼面时，由于翼型前端上仰，气流受到阻拦，且流动通道扩大，气流速度减小，压强增大，并高于前方气流的大气压。因此，在上下翼面之间就形成了一个压强差，从而产生了一个向上的升力 Y。

机翼上产生升力的大小，与翼型的形状和迎角有很大关系，迎角不同产生的升力也不同。一般来讲，不对称的流线翼型在迎角为零时仍可产生升力，而对称翼型和平板翼型这时产生的升力却为零。

图 2-16 失速现象

随着迎角的增大，升力也会随之增大，但当迎角增大到一定程度时，气流就会从机翼前缘开始分离，尾部会出现很大的涡流区，这时，升力会突然下降，而阻力却迅速增大，这种现象称为“失速”，如图 2—16所示。失速刚刚出现时的迎角叫“临界迎角”。飞机不应以接近或大于临界迎角的状态飞行，此时，会使飞机产生失速，甚至造成飞行事故。

2 ．影响飞机升力的因素

在设计飞机时，应尽量使飞机的升力大而阻力小，这样才能获得比较好的飞行性能。那么怎样才能提高飞机的升力呢 ?要解决这个问题，首先得了解影响升力的因素有哪些。

(1) 机翼面积的影响

飞机的升力主要由机翼产生，而机翼的升力又是由于机翼上下翼面的压强差产生的，因此，如果压强差所作用的机翼面积越大，则产生的升力也就越大。机翼面积通常用“ S”来表示。需要注意的是，机翼面积应包括同机翼相连的那部分机身的面积。机翼所产生的升力与机翼面积成正比。

(2) 相对速度的影响

我们都有这样的体验，风速越大，那么我们所感受到的风力也就越大。飞机的空气动力也是一样，当相对速度 v越大时，产生的空气动力也就越大，机翼上产生的升力也就越大。但升力与相对速度并不是成简单的正比关系，而是与相对速度的平方成正比。

(3) 空气密度的影响

升力的大小和空气密度ρ成正比，密度越大，则升力也越大，当空气很稀薄时，机翼上产生的升力也就很小了。

(4) 机翼剖面形状和迎角的影响

机翼的剖面形状和迎角不同，则产生的升力也不同。因为不同的剖面和不同的迎角，会使机翼周围的气流流动状态 (包括流速和压强 )等发生变化，因而导致升力的改变。早期的飞机，由于人们没有体会到翼型的作用，所以，曾采用平板和弯板翼型，后来，随着理论研究和实践研究的不断深入，人们已经认识到翼型的重要性和它对升力所起的作用，因此，创造了很多适合于各种不同需要的翼型，并通过实验确定出各种不同翼型的空气动力特性。

翼型和迎角对升力的影响，可以通过升力系数“ Cy”表现出来。升力系数的变化反映着在一定的翼型的情况下，升力随迎角的变化情况如图 2—27所示，同时也说明不同的翼型有不同的升力特性。

结合前面的各项影响因素，通过理论和实验证明，升力的公式可以写为

(2—6)

式中， Y为升力 (单位 N)；

C y 为升力系数；

ρ为密度 (单位 kg／ m 3)；

v 为速度 (单位 m／ s)；

S 为机翼面积 (单位 m 2)。

3 ．增升装置

在设计一架飞机时，主要从飞机作高速飞行或巡航飞行时的观点来确定飞机的布局参数，当飞机高速飞行或巡航飞行时，即使迎角很小，由于速度较大，因此仍能保证有足够的升力来维持飞机的水平飞行。但在低速飞行时，尤其是在起飞或着陆时，由于速度较低，即使有较大的迎角，升力仍然很小，使飞机不能正常飞行。况且，迎角的增大是有限度的，超过临界迎角以后就会产生失速现象，给飞行造成危险。因此，需要采用“增升装置”，使飞机在尽可能小的速度下产生足够的升力，提高飞机的起飞和着陆性能。

前面已经提到飞机的升力与机翼面积、翼剖面形状、迎角和气流相对流动速度等因素有关。因此，可以通过以下几项增升原则来进一步提高飞机的升力，即

(1) 改变机翼剖面形状，增大机翼弯度；

(2) 增大机翼面积；

(3) 改变气流的流动状态，控制机翼上的附面层，延缓气流分离。

飞机的增升装置通常安装在机翼的前缘和后缘部位，安装在机翼后缘的增升装置叫“后缘襟翼”，其应用最为广泛。如图 2—17所示是三种典型的后缘襟翼的例子。如图 2—17(a)所示是一种最简单的襟翼，它是靠增大翼型弯度来增大升力的。当襟翼放下时，翼剖面变得更弯，因此增大了上翼面的气流速度，提高了升力，但同时阻力也随之增大，而且比升力增大的还要多。故而增升效果不佳。

图 2-17 几种典型的后缘式襟翼
另一种是后退开缝式襟翼，当襟翼打开时，其襟翼向后退的同时，它的前缘又和机翼后缘之间形成一条缝隙，如图 2—17(b)所示为富勒式襟翼它有三重增升效果：一是增加了机翼弯度；二是增大了机翼面积；三是由于开缝的作用，使下翼面的高压气流以高速流向上翼面，使上翼面附面层中的气流速度增大，延缓了气流分离，起到了增升作用。后退开缝式襟翼的增升效果很好，在现代高速飞机和重型运输机上得到了广泛的应用

主要是靠螺旋桨强烈的旋转，使得上下起了很大的压强差，从而将机身托起，至于方向的控制则是机身尾部的部件