第三章 飞行原理与飞行性能

在机翼上，压力最高的点也就是所谓的驻点，在驻点处是空气与前缘相 遇的地方。这点是空气相对于机翼的速度减小到零的点。
在一个迎角为零、完全对称的机翼上，从驻点开始，流经上下表面气 流速度是相同的，所以上下表面的压力变化也是完全相同的。
如果对称机翼相对来流旋转了一个迎角，驻点就会稍稍向前缘的下表 面移动，并且流经上下表面的空气流动情况改变了，流经上表面的空气被 迫多走了一段距离，在上下表面，空气仍然有一个从驻点加速离开的过程， 但是在下表面的最高速度要小于上表面的最高速度。
质量守恒定律：质量不会自生也不会自灭。 流体的质量流量：单位时间流过横截面面积S的流体质量。
q sv
3.流体连续方程
1s1v1 2s2v2 3s3v3 ...... const. 即： sv const.
当流体不可压缩时
即： const. 时：
有： sv const.
惯性向外 （离心力）
6.力的分解
一个水平飞行的动力模型受到许多施加在它每个部分的力的影响， 但是所有的这些力都可以按作用和反作用分成4个力
三、机动飞行中的空气动力
1.飞机的几何外形和参数
翼型及其参数
♦翼型： 机翼的横剖面形状。翼型最前端的一点叫“前缘”， 最后端一点叫“后缘”。 翼型前缘点与后缘点之间连线称为翼弦。
目前所使用的大多是自动式前缘缝翼。这种前缘缝翼用滑动机 构与基本机翼相连，依靠前缘空气动力的压力和吸力来自动控制其 闭合和打开。
4.飞机低速飞行的阻力
按阻力产生的原因，飞机低速飞行时的阻力一般可分为：
• 摩擦阻力 • 压差阻力 • 诱导阻力 • 干扰阻力
阻力的计算公式：
Q

C（x
1 2
v 2）S参考
➢ 增大机翼面积；
➢ 延缓机翼上的附面层的气流分离，增大失速迎角。
目前所使用的增升装置的种类主要有：
襟翼
➢ 简单襟翼 ➢ 分裂襟翼 ➢ 开缝襟翼 ➢ 后退襟翼
前缘襟翼和克鲁格襟翼
前缘缝翼
一般的襟翼位于机翼后缘，靠近机身，在副翼的内侧。襟翼放下 时，即增大机翼的升力，同时也增大飞机的阻力，因此通常在起飞阶 段，襟翼只放下较小的角度，而在着陆阶段才放下到最大角度。
（b为翼型弦长）
翼展：机翼翼尖两端点之间的距离，也叫展长，以“L”表示。
翼弦：翼型前后缘之间的连线；其长度称为弦长，通常以b表示。 若机翼的平面形状不是矩形，则采用“平均气动力弦长”来代 替弦长，平均气动力弦长用 bav 表示，定义为：bav S L 。
展弦比：展长和平均气动力弦长之比；以λ表示，即：
4.伯努利定理
管道中以稳定的速度流动的流体，若流体不可压缩，且与外 界无能量交换，则沿管道各点的流体的动压与静压之和等于常量。
伯努利方程
p 1 v2 P const.
2
5. 牛顿定律
如果一个物体处于平衡状态，那么它就有保持这种平衡状态的趋势。所有 施加在平衡物体上的外力都是平衡的，不会有任何改变其状态或往任何方 向加速或减速的趋势存在
后退襟翼一般可使翼型的 C y max增大约110%~140%。
前缘襟翼就是可偏转的机翼前缘。在大迎角下，前缘襟翼向下偏 转，使前缘与来流之间的角度减小，气流沿上翼面的流动比较光滑， 避免发生局部气流分离，同时也增大了翼型的弯度。前缘襟翼与襟翼 配合使用可进一步提高增升效果。
克鲁格襟翼的作用与前缘襟翼相同。它一般位于机翼根部的前缘，靠 动作筒收放。打开时，伸向机翼前下方，既增加机翼面积，又增加翼型弯 度，具有较好的增升效果。
机翼的投影面积 升力系数，与翼型和迎角有关
影响飞机升力的因素
➢ 机翼面积的影响 ➢ 相对速度的影响
Y

C
y
(
1 2
v2）S
➢ 空气密度的影响
➢ 机翼剖面形状和迎角的影响
对于某一种翼型、某一种机翼片面形状，通常通 过实验来获得升力系数与迎角的关系曲线，即 Cy 曲线。
在 Cy 曲线中，对应于升力系数等于零的迎角 称为零升力迎角；对应于最大升力系数Cymax 的迎 角叫临界迎角或失速迎角。
前缘缝翼是安装在机翼前缘的一段或几段狭长的小翼面，当前缘缝翼打 开时，它与基本机翼前缘表面形成一道缝隙，下翼面的高压气流通过缝隙加 速流向上翼面，增大上翼面附面层气流速度，消除了分离漩涡，延缓气流分 离，避免大迎角下失速，升力系数得以提高。所以前缘缝翼一般在大迎角， 特别是接近或超过基本机翼临界迎角时才使用。
开缝襟翼是在简单襟翼的基础上改进而成的，除了增大翼型弯 度外，当开缝襟翼放下时，其前缘与机翼之间形成一条缝隙，下面 的高压气流通过缝隙流向上面，延缓上面气流分离，达到增升目的 。开缝襟翼的增升效果较好，一般可使 Cymax 增大约85%~95%。
后退襟翼工作时，既向下偏转同时又沿滑轨向后移动，也即既增大 翼型弯度又增加机翼面积，它的增升效果比前面三种后缘襟翼都好。
3.大气的粘性
大气的粘性是空气在流动过程中表现出的一种物理性质。大气的粘性力 是相邻大气层之间相互运动时产生的牵扯作用力，也叫大气内摩擦力。它和 相邻流动层的速度差和接触面积成正比，与相邻层的距离成反比。
把不考虑粘性的流体成为理想流体或无粘流体。
4.可压缩性
➢ 当气体的压强改变时其密度和体积改变的性质。
1.大气物理性质
大气的状态参数和状态方程 状态参数:压强p、温度T和密度ρ 状态方程： p = ρRT
其中：T为大气绝对温度（单位K),和摄氏温度t(单位°C)之间 关系为：T=t+273;R为大气气体常数，R=287.05J/kg.K
2.气体特性
连续性
当航空器在空气介质中运动时，由于其外形尺寸远远大于气体分子的 自由行程（一个空气分子经一次碰撞后到下一次碰撞前平均走过的距 离），故在研究航空器和大气之间的相对运动时，气体分子之间的距 离完全可以忽略不计，即把气体看成是连续的介质。
机翼的底面同垂直于飞机 立轴的平面之间的夹角，以φ 表示。
➢ 迎角：
翼弦与相对气流速度ν之 间的夹角，也称为飞机的攻角， 通常以α表示。
2.升力的产生
通常，机翼翼型的上表面凸起较 多而下表面比较平直，再加上有一定 的迎角。这样，从前缘到后缘，上翼 面的气流流速就比下翼面的流速快； 上翼面的静压也就比下翼面的静压低， 上下翼面间形成压力差，此静压差称 为作用在机翼上的空气动力
空气动力是分布力，其合力的 作用点叫做压力中心。空气动力合 力在垂直于气流速度方向上的分量 就是机翼的升力。
空气动力的分布随迎角的不同 而变化。因此，飞机升力的大小也 随迎角的改变而变化。
升力的计算公式：
Y

1 Cy ( 2
v2）S
式中： ρ -v --
（1/2ρv²）-S -Cy --
飞机所在高度处的空气密度 飞机对空气的飞行速度 动压
当飞机的迎角小于临界迎角时，升力系数随着迎 角的增大而增大；当迎角超过临界迎角后，迎角增大， 升力系数却急剧下降，这种现象称为失速。
3.增升装置的主要功用
在起飞降落时增加机翼的升力，从而降低飞机的离地和接地速度， 缩短起飞和降落滑跑距离。目前所使用的增升装置的增升原理主要有 三类：
➢ 增大翼型弯度，以增加升力线斜率；
巡航时 起飞时
降落时
简单襟翼的形状与副翼相似，用铰链连接于机翼后缘，其构造 比较简单，不偏转时形成机翼后缘的一部分。
简单襟翼放下最大角度时，大约能使 Cymax 增大65%~75%
分裂襟翼（也称开裂襟翼）象一块薄板，用铰链安装与 机翼后缘下表面并成为机翼的一部分。
分裂襟翼一般可把机翼 的 Cymax 提高75%~85%.
L / bav L2 / S
根梢比：机翼的翼根弦长与翼尖弦长 之比，也称“梯形比”或“尖削比”， 以 b 跟弦/b梢弦表示。
后掠角：通常以χ表示
➢ 前缘后掠角：机翼前缘同垂直于飞机纵轴
的直线之间的夹角，以 0 表示；
➢ 后缘后掠角 1
➢
1 4
弦线后掠角
0.25
➢ 上反角下反角：
0.4 ＜ Ma ≤ 0.85 为亚音速飞行，空气压缩程度大，考虑空气密度变化；
0.85 ＜ Ma ≤ 1.3 为跨音速飞行，出现激波，气流物理性质在激波前后突变；
1.3 ＜ Ma ≤ 5.0 为超音速飞行；
Ma ＞ 5.0
为高超音速飞行；
二、无人机空气动力学基础
1.飞行相对原理
2.流动气体基本规律-伯努利方程
牛顿第二运动定律表明，要获得给定加速度所施加的力的大 小取决于无人飞机的质量。 一个具有很大质量的物体需要用更大的力去打破它的平衡 才能达到给定的加速度，而小质量的物体所需的力则小。
无论什么时候由外力打破平衡，比如加速或减速，或者方 向的变化，称为惯性的物体的质量会阻止这种变化。
加速度向内 （向心力）
6.马赫数
➢ 马赫数的大小可以作为判断空气受到压缩程度的指标。
Ma v a
V为飞行速度，a为飞行高度上的大气中的声速。飞行器飞行速度越大， 马赫数就越大，飞行器前面的空气就压缩得越厉害。
根据马赫数的大小，可以把飞行器的飞行速度划分为如下区域：
Ma ≤ 0.4
为低速飞行，不考虑空气压缩性，密度看做常数；
（1）摩擦阻力
当气流流过飞机表面时，由于空气存在粘性，空气微团与飞机表面发生 摩擦，阻滞了气流的流动，由此而产生的阻力叫做摩擦阻力。摩擦阻力在附 面层中产生的。
附面层就是紧贴物体表面，流速由外部流体的自由流速逐渐降低到零的 那一层薄薄的空气层。
• 层流附面层 • 紊流附面层
层流附面层：气流各层不相混杂而成层流流动，其摩擦阻力较小。 紊流附面层：气流活的杂乱无章，并出现漩涡和横向运动，但整个 附面层仍然附着于翼面，其摩擦阻力较大。 • 尾迹：附面层脱离了翼面而形成大量宏观的漩涡。 • 转捩（lie）点：层流附面层转变为紊流附面层的点。 • 分离点：附面层开始脱硫翼面的点。