固定翼飞机飞行原理简介甲固定翼飞机之基本空气动力学空气

固定翼飛機

飛行原理簡介

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甲、固定翼飛機之基本空氣動力學

一、空氣動力之型式 下洗氣流改變相對風方向 並且 e a U L ⊥

而e a U D --- a L 及a D 皆以ac 為施力 點，但a M 與ac 無關。 a D 不等於飛行的阻力(§三)

二、空氣動力之數學 --- air ρ：空氣密度 --- S ：翼面積 a L 、a D 及a M 之量化關係： l a i r

l e a i r a SC U SC U L 221221ρρ≈= d air a SC U D 221ρ≈、m air

a SC U M 221ρ≈ --- l C 、d C 、m C ：與α成右圖之函數關係的常數

討論：(1) m C 幾乎與α無關 (2) l C 與α的函數存在有線性區 a L 函數之線性關係：αw l a C = --- w a ：線性區之函數斜率

--- w a 的值為機翼之3D 形狀的函數

遠對相端

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翼弦彎曲(camber)的效應之一

(1) 翼弦彎曲會使升力曲線左右移動，其效果等於改變有效攻角

(2) 線性區之升力係數變為 )(ζα-=w l a C --- ζ：camber 之函數

翼尾控制面之作用原理

--- 翼尾控制面之擺動等於改變翼面之彎曲 --- 這樣的彎曲使得 τδζ≈，10≤≤τ --- 因此，升力係數變為)(τδα-=w l a C

翼面3D 形狀的影響

(1) 翼面的展弦比(AR)將影響 w a 及ε --- AR 的定義為翼展的平方除以翼面積

==> 翼展越大的翼面其AR 也越大

--- AR 愈大w a 也增大，但ε則變小

(2) 翼面的形狀將決定ac 的位置(右圖) --- 一般翼面的ac 在右圖兩例之間

U e

U e

U e U e

U e

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翼面其他運動的影響

● 翼面的運動將改變相對氣流的方向，從而改變機翼的攻角

●

一般而言，U u s <<，因此 U u s r /-≈-≈ασαα

【另例】飛機旋轉所致的翼面(相對於CG 的)運動

● 機體的旋轉將造成控制翼面有相較於CG 的相對運動，從而改變了這些控制翼

面的有效攻角。這些控制翼面有效攻角的改變將產生額外的力或力矩。

三、航行升力與航行阻力 ---

U 為飛航的反方向

εεsin cos a a T D L L -=、εεsin cos a a T L D D += 一般，a a D L >>且1<<ε a T L L ≈⇒

εa a T L D D +≈⇒ εa L 稱為誘導阻力 ==> a D 稱為濕阻力

r r

l vt r

q X t

u s = p T

乙：固定翼飛機動態特性概述

一、固定翼飛機之自由度與運動方式

q M

,：俯仰速率(力矩)

r N,：橫搖速率(力矩)

x-axis:前後(速度)

y-axis:左右(側滑)

z-axis:上下(升降)

二、定翼飛機之力平衡

---水平飛行狀態

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三、控制飛行動作的管道 -- 升降舵、方向舵、副翼、油門

※一般而言，飛機的直線運動必須透過旋轉運動來達成。

==> 如「加減速與升降」透過

四、改變飛行狀態之要件，譬如：爬昇、轉彎、等

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五、飛行體的運動模式

○嚴格來說，一架飛機的六個運動自由度是相互偶合而無法分開獨立

變化的。

○然而，大體而言，一架飛機的所有的旋轉運動通常都不會是很劇烈，在這種情況之下，某些自由度之間的偶合現象將小到可以忽略。此

時，飛行體的六個運動自由度將形成兩組幾乎是互相獨立的運動模

式，茲分述如下：

1.飛行體之縱向運動：

a.自由度 - 俯仰(pitching)、升降、速度變化

b.考慮項目 - 俯仰角度、俯仰速率、俯仰力矩、飛行速度、飛

機的功角、升力，阻力與推力。

c.控制管道 - 升降舵，油門。

2.飛行體之橫向運動：

a.自由度 - 側滾(rolling)、橫搖(yawing)、側滑(side slip)

b.考慮項目 - 側滾角度、側滾力矩、橫搖力矩、橫搖速率、側

滑角度、飛機的轉彎速率。

c.控制管道 - 方向舵、副翼。

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附錄一：飛機功角與側滑角之詳細定義

○飛機之功角α與側滑角β乃是就相對風而定義(下圖左)。

●對於靜止的大氣，相對風即是飛機本身速度之逆向量。

●若有陣風出現，則相對風為飛機速度之逆向量跟陣風的向量和。

○機翼之功角為飛機縱軸跟相對風在縱向面(x-z 平面)的夾角，至於側滑角則是飛機縱軸跟相對風在橫向面(x-y 平面)的夾角。

● 若飛機沒有旋轉運動，則α=w U /以及β=v U /。此時，改變w 等於改變α，

而改變v 也等於改變β，也就是∆∆α=w U /以及∆∆β=v U /。

● 另一方面，飛機的俯仰動作也會改變功角。換言之，如果飛機在改變w 的同時

也改變了俯仰角θ，則功角的改變量將成為∆∆∆αθ=+w U /。同樣地，若飛機在改變v 的同時也改變了橫搖角ψ，則側滑角的改變量將成為∆∆∆βψ=+v U /(下圖右)。