PHAK 云端课堂 | 飞机上空气动力学

Pegasus8

内容前瞻

上周我们为大家分享了苗雨桐同学的飞行经验，以及重点航空缩略语大合集。



本期推送我们给大家介绍有关飞机上空气动力学的知识和 V - speeds 内容。


  
作者简介





左：苏子航

厦航 20 级 19 班

右：王奇柯

国航 20 级17 班

20 级 CFC 编辑部成员



上两周我们在 PHAK 课堂学习的主要内容就是本次云端课堂给大家介绍有关飞机上空气动力学的知识。
飞机为什么能够起飞？

飞机机翼大多设计成泪滴状，它前端圆钝，后端尖锐，上表面呈拱起状态而下表面比较平。当飞机以高速在空气中穿行时，气流经过机翼，机翼上下空气的流动速度就会有差异，机翼上面的流速快，下面流速较慢，根据伯努利定理（流速越快的地方压强越小，流速越小的地方越大），由此产生了压强差，这个压强差产生向上的升力，托起飞机。


飞机上的力


Thrust（推力）

由飞机上的动力装置如发动机、螺旋桨产生的对飞机所施加的向前的力。一般来说，它的方向与纵轴平行，但实际情况并非如此。在实际飞行中，由于飞机的姿态不是完全水平的，因此，推力可以被分解为水平和垂直两个分量。此外，在飞机的姿态不是水平的任何时候，升力可以被分解为水平和垂直两个分量。
Drag（阻力）

由机翼、旋翼、机身和其他突出物体破坏气流所引起的向后的阻滞力。一般来说，阻力与推力相反，作用方向平行于飞机前后轴线的分量，它阻碍了飞机在空中的运动。阻力包含有摩擦阻力（Skin friction drag）、压差阻力（Pressure drag）、干扰阻力（Parasite drag）、诱导阻力（Induced drag）等，在下面向大家介绍。

阻力一般分为废阻力和诱导阻力，废阻力又进一步可以分为摩擦阻力、压差阻力和干扰阻力。翼型的摩擦阻力和压差阻力统称为翼型阻力或简称为“型阻”。而型阻和干扰阻力本质上都归结于粘性，故这三种阻力之和叫做飞机的废阻力，废阻力占飞机总阻力的 60%～70%。而诱导阻力相对于前三者对飞机造成的影响较小，可以认为，诱导阻力是为产生升力而付出的一种“代价”。
下面是关于这四种阻力的详细解释：
摩擦阻力
摩擦阻力是由于空气有粘性摩擦而产生的阻力。它主要产生在紧贴机翼表面由于粘性造成的速度亏损的薄层中，该薄层称为粘性边界层。可以明确的是，摩擦阻力的大小与粘性边界层和飞机本身机翼的面积和粗糙程度有关。

压差阻力
气流流过飞机时，在机体前后压力差形成的阻力就叫做压差阻力。气流在机翼前缘附近受阻流速减慢，压强升高，在驻点处压强达到最大；流过最低压强点之后将逐步减速增压，由于粘性损失和下游逆压的双重作用，边界层在某处与表面分离并形成倒流和漩涡，旋涡区空气稀薄压强较低，由此在翼型前后形成了一个阻碍飞机前进的压强差，这就是压差阻力。



干扰阻力
干扰阻力是流过机体各部件的气流在部件结合处相互干扰而产生的阻力，来自产生涡流，湍流或限制平稳气流的气流交叉点。简单来说即为飞机在飞行中其整体的阻力并不等于各个部件单独产生的阻力之和，而是额外多出一个量，这个额外多出的阻力就是干扰阻力。干扰阻力产生的原因是：各部件的结合处，收扩管道边界层分离额外消耗能量。



翼根会造成干扰阻力

诱导阻力
诱导阻力是伴随升力而产生的一种阻力也称为升致阻力，诱导阻力的产生与粘性没有直接关系。诱导阻力是伴随升力而产生，没有升力就没有诱导阻力。因为升力来自于机翼上下翼面压差，而正是该压差产生了翼尖涡（Wingtip vortex），翼尖涡产生下洗速度，从而使气流方向向下倾斜，使形成的合力随之向后倾斜，由此产生了诱导阻力。






翼尖涡旋大小在高度与地面附近的差异

Lift（升力）

升力是空气作用在机翼上的动力作用所产生的力，其作用线垂直于飞机横轴和纵轴所形成的平面。在水平匀速飞行中，升力等于向下的重力。一般来说，升力的大小与迎角、机翼面积等因素有关，是飞机能够飞起来的关键。
Weight（重力）

重力是地心引力作用在飞机上的竖直向下的力，通过飞机的重心（CG）垂直向下作用。
Attention


实践证明，飞机空气动力（包括升力和阻力）的大小与空气介质的密度成正比，与气流与飞机间真空速（True airspeed）的平方成正比，显然还与机翼的面积成正比。高温高海拔条件会使密度减小，使升力和发动机推力受到影响，从而影响了一些飞机在高温高原机场的使用。在其他条件不变的情况下，飞机飞行的高度越高，空气的密度越小，飞机的升力就越小。为了得到飞行所需要的升力，必须提高飞机的飞行速度。所以只有高速飞机适合在高空进行巡航飞行。



对于上述飞机的四种力：在稳定飞行中，飞机所受外力矢量和为零。
迎角

迎角（Angle of attack，缩写为 AOA，常用希腊字母 α 表示）是飞机速度方向线在飞机对称平面上的投影与翼弦线（Chord line）的夹角。飞机只有当迎角不为零时才会产生升力。对螺旋桨来说，迎角为来流合速度与叶片弦线的夹角。


以下列出了可能影响迎角指示有效性的因素:

校准技术

探头或叶片未被加热

指标本身的类型

皮瓣设置

翼污染

“

当机翼结冰时，既影响附面层内气流的流动，又改变机翼气动外形，使翼型升力系数（Lift coefficient）减小，阻力系数（Drag coefficient）增大，同一迎角下的升阻比变小，给操纵飞机带来不准确的数据



图为机翼结冰
”地面效应

地面效应（Ground effects）是一种使飞行器诱导阻力减小，同时能获得比空中飞行更高升阻比的流体力学效应：当运动的飞行器掉到距地面（或水面很近时，整个飞行器体的上下压力差增大，升力会陡然增加。
地面效应会改变升力和阻力

当机翼非常靠近地面时会发生诱导阻力的大幅减小。所以飞行员通常在起飞升空期间或在着陆时触地之前感受到地面效应。



在地面效应的作用下，在迎角较小的情况下也能获得较大的升力。



它是一种使飞行器诱导阻力减小，同时能获得比空中飞行更高升阻比的流体力学效应：当运动的飞行器掉到距地面（或水面）很近时，整个飞行器体的上下压力差增大，升力会陡然增加。前苏联和中国是利用这种效应研制翼地效应飞行器最先进的国家。



在降落时，飞机会在最后的几百英尺高度因为获得地面效应的升力而突然上升（此情况被称为“balloon”)。如果不懂应对措施，飞机就会在减速时突然急速提升高度，此时由于飞机的速度已经非常接近失速速度，极易真的演变成失速的状态，此时，即使只是数十尺的距地高度，还是可能造成严重甚至致命的意外。一般而言，如果跑道够长，飞行员就能够采用慢慢减速来对应地面效应，如果机场跑道长度限制，张开襟翼或减速板可以快速增加阻力，此时机翼上产生的强烈的分离涡，这个分离涡会导致飞机产生附加的俯仰和滚转力矩。当有侧向风存在时，这个分离涡极不对称，滚转力矩极大，有造成飞机倾斜和失事的危险。
地面效应的应用

利用地面效应，研制出了地效飞行器，地效飞行器主要在地效区飞行，也就是贴近地面、水面飞行。

地效飞行器是介于飞机、舰船和气垫船之间的一种新型高速飞行器。与普通飞机不同的是，地效飞行器主要在地效区飞行，而飞机主要在地效区以外飞行；与气垫船不同的是，气垫船靠自身动力产生气垫，而地效飞行器靠地面效应产生气垫。大部份地效飞行器都被设计为在水面上运作，因为水面比地面平滑和少障碍物，不但危险度较少，而且在不运作的时候，还可以利用水面浮力来承受机体重量。在起飞时亦较为简单。地效飞行器一般在距离水面 1~6 米的高度低空飞行，一旦出现紧急情况，可随时在水面降落。在陆地上，地效飞行器可以轻易飞越沙漠、沼泽、雪地。


摆脱地效的飞机有如下特点:

需要增大迎角才能保持相同的升力系数（Lift coefficient）

感受到所需的诱导阻力和推力的增加

飞机稳定性降低，机头瞬间上仰

感受到静压（Static pressure）的降低和指示空速（Indicated airspeed）的增加
失速（Stall）

什么是失速：机翼在迎角超过某个临界值后，升力系数随迎角增大而减小的现象。当失速时，飞机会产生失控的俯冲颠簸运动，发动机发生振动，驾驶员感到操纵异常。

飞机失速的根本原因就是飞机迎角超过临界迎角（Critical AOA）导致机翼表面的气流无法紧贴机翼，使得飞机产生的升力大幅减小，阻力增大，不足以维持飞机的正常飞行。



且临界迎角不会随着飞机重量，滚转角的大小，温度，密度高度，重心的改变而改变。飞机在任意速度,任意状态下都可能失速。

失速最常在三种飞行状态下发生：低速飞行、高速飞行以及转弯飞行。

飞机低速飞行时，保持平飞需要更大的迎角，当速度过低导致迎角大于临界迎角时，发生失速。

飞机高速下落时，由于迎角是飞机纵轴和速度向量的夹角，急速下降过程中若飞行员稍微拉杆使飞机抬头，飞机向下的速度向量相对于翼弦线便会有很大的角度，超过了临界迎角，飞机就会失速。

飞机转弯时，由于升力的水平分力被用作飞机转弯的向心力，飞机的升力会有一部分损失，为了保持平飞，飞行员在转弯时必须要根据转弯坡度的大小进行相应的拉杆操作。当坡度过大时，迎角有可能会随着飞机的抬头而超过临界值，导致失速的发生。因此在大坡度转弯飞行中，飞行员一般会增大发动机推力，通过“油舵结合”来保持平稳飞行。

V - speeds

A series of designators used by the FAA and listed in 14 CFR 1 to describe certain flight conditions:
VA — design maneuvering speed.
VB — design speed for maximum gust intensity.
VC — design cruising speed.
VD — design diving speed.
VDF/MDF — demonstrated flight diving speed.
VEF — The speed at which the critical engine is assumed to fail during takeoff.
VF — design flap speed.
VFC/MFC — maximum speed for stability characteristics.
VFE — maximum flap extended speed.
VFO — Maximum flap operating speed (extended or retracted).
VFTO — Final takeoff speed.
VH — maximum speed in level flight with maximum continuous power.
VLE — maximum landing gear extended speed.
VLO — maximum landing gear operating speed.
VLOF — lift-off speed.
VMC — minimum control speed with the critical engine inoperative.
VMD — Minimum drag speed. Minimum drag speed.
VMO/MMO — maximum operating limit speed.
VMU — minimum unstick speed.
VNE — never-exceed speed.
VNO — maximum structural cruising speed.
VP — Minimum dynamic hydroplaning speed—the minimum speed required to start
dynamic hydroplaning.
VR — rotation speed.
VREF — Reference landing speed.
VS — the stalling speed or the minimum steady flight speed at which the airplane
is controllable.
VS0 — the stalling speed or the minimum steady flight speed in the landing
configuration.
VS1 — the stalling speed or the minimum steady flight speed obtained in a
specific configuration.
VSR — Reference stall speed.
VSR0 — Reference stall speed in the landing configuration.
VSR1 — Reference stall speed in a specific configuration.
VSSE — Safe, intentional one-engine inoperative speed. The minimum speed to
intentionally render the critical engine inoperative.
VSW — Speed at which onset of natural or artificial stall warning occurs.
VTOSS — takeoff safety speed for Category A rotorcraft.
VX — speed for best angle of climb.
VXSE — Best angle of climb speed with one engine inoperative.
VY — speed for best rate of climb.
VYSE — Best rate-of-climb speed with one engine inoperative. This airspeed provides
the most altitude gain in a given period of time in a light, twin-engine airplane
following an engine failure.
V1 — Critical engine failure speed or takeoff decision speed. Engine failure below this
speed will result in an aborted takeoff; above this speed the takeoff run should be
continued.
V2 — takeoff safety speed.
V2min — minimum takeoff safety speed.

- END -



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本期作者| 苏子航 王奇柯编辑｜马  列责任编辑｜水恒涌                  王    丹（校稿与技术支持）

©北航飞院CFC & 航小飞工作室

联合出品




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