飛行基礎(chǔ)知識①升力與阻力詳解(圖文)\o"轉(zhuǎn)貼并收藏"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(fēng)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(fēng)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(xué)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钪惺强床灰姷模退贇饬鞯牧鲃訁s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(xué)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

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(dǎo)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，飛機的摩擦阻力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)?/p>

“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)，甚至抑制它的出干擾阻力

飛機上除了摩擦阻力，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(shè)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(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(dǎo)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(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。

【加強圖】

仔細看啊

從機翼截面觀察氣體流場狀態(tài)！

下圖所示為：

飛機在轉(zhuǎn)彎時的受力情況。假定飛機的飛行方向是由外飛進屏幕里，即飛機是在做左轉(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、右翼上產(chǎn)生向上的力

Fb，此二力以機身重心為中心形成一滾動力矩，使飛機向左翻滾。而從整架飛機來考慮，機翼左翻也使總升力

F

向左翻。在豎直和水平方向上將其分解，其豎直分力

F1

與飛機重力

G

維持平衡，保持飛機的飛行高度；水平分力

F2

提供做圓周運動所需的向心力，使飛機轉(zhuǎn)彎。

同理可得，飛機在俯沖時，飛行員向前推桿使平尾上的升降舵下翻，產(chǎn)生向上的力抬起機尾，機頭向下形成俯沖姿態(tài)；爬升時向后拉桿，升降舵上翻，產(chǎn)生壓力壓下機尾，使機頭向上形成爬升姿態(tài)；蹬右踏板使方向舵右翻，產(chǎn)生水平向左的推力推動機尾向左，使機頭向右，同理，蹬左踏板使飛機向左。

綜上所述，如果把操縱桿向左推再向后拉，會使飛機左側(cè)翻時做一個爬升動作，即一個左急轉(zhuǎn)。其實，再復(fù)雜的機動動作也是由這么幾塊操縱面完成的，也就是操縱桿前后左右推拉以及不同高度、速度的排列組合，看起來開飛機好象不那么復(fù)雜吧，不過這只是在游戲里，要換成真的，光身體素質(zhì)這一項就沒幾個人過得了