航空航天概论论文

论述超声速飞行特性（升阻力、翼型、激波/局部激波、热障等）。

超声速飞行，又叫“超音速飞行”，是指飞行器以马赫数1.2以上速度的飞行。

超音速飞行的特点是：1.气动中心后移，纵向静稳定性增大；2.飞机阻尼随马赫数增大而减小。二者都导致飞机扰动衰减缓慢，操纵性变坏，高空中尤甚。这要求航空器的机翼后掠，面积减小，机体做成尖顶的细长形，加大控制面（特别是垂尾）面积。由于操纵性能变坏，抗干扰及恢复能力变差，因而在超音速飞行时要求驾驶员动作应柔和，杆、舵要协调。由于水平尾翼、垂直尾翼效率降低，铰链力矩剧增，且变化规律复杂，需用全动水平尾翼和不可逆助力器。尾翼效率的降低使飞机的航向稳定性和横向稳定性都随马赫数的增加而下降。特别是高空飞行，航向稳定性更差，故需加大垂直尾翼面积或采用自动化装置或限制飞行马赫数。因高空空气稀薄，大气温度低，使飞行速度范围小，加速慢和爬升率降低。当高度剧变时，高度表和速度表指示将产生较大的延迟误差，真速和表速指示值差别加大。

超声速飞行会造成类似爆炸声的声响噪声，称为声爆，过高的温度会使飞行器的表面结构材料的力学性能大为下降，气体外形产生变化，将造成飞行器表面结构失效甚至破坏，这就是在高速飞行过程中的“热障”效应。当飞行速度很大（马赫数超过2.5）时，由于气体分子的摩擦，造成气动加热，使机体表面温度升高，现在通用的铝合金材料不能承受，马赫数超过2.5的航空器要使用钛合金或其他耐热合金结构材料。

图1 机体做成尖顶的细长形图2超声速飞行产生的音爆现象

图3 飞机的热障

超声速飞行的升力来源于机翼上下表面气流的速度差导致的气压差。在小的正迎角下，离翼型前缘较远的远前方，故可保持平直流动。当空气接近翼型前缘时，气流开始折转，一部分流过翼型上表面;另一部分机翼下表面通过，并经过相同的均匀流动状态。在气流被翼型分割为上下两部分时，上表面整体看流速增大而压强减小。下表面气流压强比远前方来流的要大。上、下翼面存在一个压强差，就构成了翼型的升力。影响飞机升力的因素有：（一）飞行速度：飞行速度越大，空气动力（升力、阻力）越大。实验证明：速度增大到原来的两倍，升力和阻力增大到原来的四倍；速度增大到原来的三倍，升力和阻力增大到原来的九倍。即升力、阻力与飞行速度的平方成正比例。（二）空气密度：空气密度大，空气动力大，升力和阻力自然也大。因为空气密度增大，则当空气流过机翼，速度发生变化时，动压变化也大，作用在机翼上表面的吸力和下表面的正压力也都增大。所以，机翼的升力和阻力随空气密度的增大而增大。实验证实，空气密度增大为原来的两倍，升力和阻力也增大为原来的两倍。即升力和阻力与空气密度成正比例。显然，由于高度升高，空气密度减小，升力和阻力

也就会减小。力系数和临界迎角，同时降低飞机翼型阻力，增升效果明显。飞机在飞行过程中会出现四种类型的阻力：1、摩擦阻力：与流体的粘性系数、物体表面形状和光洁度、迎角大小、附面层气流流动状态、气流接触体表面的面积有关；2、压差阻力：与迎角、几何外形有关；3、诱导阻力：与机翼形状、翼型和迎角有关；4、干扰阻力:与飞机不同部件的相对位置有关。

图4为机翼在空气中飞行时的空气流动，图5为升力的产生

图4 图5

超音速飞机机翼常采用的翼型有后掠机翼、三角形机翼、边条机翼。

图6 后掠机翼图7 三角形机翼图8 边条机翼

在超声速飞行中会出现激波。爆炸时形成的激波又称爆炸波。当飞行器以超音速飞行时，飞行产生的扰动来不及传到飞行器的前面去，结果前面的气体受到飞行器突跃式的压缩，形成集中的强扰动，这时出现一个压缩过程的界面，称为激波。激波是微扰动的叠加而形成的强间断，带有很强的非线性效应。经过激波，气体的压强、密度、温度都会突然升高，流速则突然下降。压强的跃升产生可闻的爆响。如飞机在较低的空域中作超音速飞行时，地面上的人可以听见这种响声，即所谓音爆。利用经过激波气体密度突变的特性，可以用光学仪器把激波拍摄下来（见风洞测量方法）。理想气体的激波没有厚度，但实际气体有粘性和传热性，这种物理性质使激波成为连续式的，不过其过程仍十分急骤。因此，实际激波是有厚度的，但数值十分微小，只有气体分子自由程的某个倍数，波前的相对超音速马赫数越大，厚度值越小。当飞机的飞行速度达到一定值但还没有达到声速时，飞机上的某些部位的局部流速却已达到或者超过声速，于是在这些局部超音速区首先开始形成激波。这种在飞机尚未达到声速而在机体表面纪检部产生的激波称为“局部激波”。

飞机要以接近音速的飞行速度飞行,必须解决局部激波的问题。也就是设法提高临界马赫数,不致于过早地产生波阻。采用相对厚度较小的,最大厚度靠近翼弦中部的高速翼型可以提高临界M数而且随着M数的增大,空气动力特性变化比较平缓。这是因为高速翼型上的局部气流速度大于飞行速度的数值较小,因此产生局部超音速区的飞行速度也较高。解决这一问题的另一途径是采用合适的机翼平面形状，超音速飞机机翼常采用的翼型是后掠机翼、三角形机翼、边条机翼。