5.空气动力学与飞行性能

状态参数：压强P、温度T、密ƥ。 状态方程：
P=Ƥrt
其中：T为大气绝对温度（单位K），和摄氏温度t （单位°C）之间的关系为：T=t+273;R为大气气体 常数，R=287.05J/KG.K
3.1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
生活中伯努利定理
V P V P
安全线
地铁
压强大
人 压强
小
V
1.机翼
1.1翼型：沿平行于飞机对称平面的切平面切割机翼 所 得到的剖面。
机翼的效率受 翼型的影响极 大，在一定程 度上是受翼型 弯度的影响和 厚度的影响。
1.2参数
前缘：最前端的点 后缘：最后端的点 翼展：机翼翼尖两端点的距离 翼弦：前缘和后缘之 间的连线 迎角：翼弦与相对气流速度之间的夹 角 后掠角：弦线与垂直于机身纵轴的夹 角 上（下）反角：机翼的底面与垂直于 立 轴平面的夹角 安装角：机翼安装在机身上时翼根翼 剖面弦线与机身轴线之间的夹角 压力中心：机翼升力的着眼点，即升 力作用线与 翼弦的交点
1 2
v2 S
C x —飞机的阻力系数
1 2
—V飞2 机的飞行动压
S —机翼的面积。
阻力产生原因 对于低速飞机，根据阻力的形成原因，可将阻力分为：
•摩擦阻力(Skin Friction Drag) •压差阻力(Form Drag) •干扰阻力(Interference Drag)
废阻力 (Parasite Drag)
3.1飞机的自由度 有六个自由度：三个平移和三个转动
y立轴
My Mz
Mx
z横轴
3.2飞机的运动
绕横轴的转动 称为俯仰运动
绕纵轴的转动 称为横滚运动
绕立轴的转动称为偏航运动
3.3飞机的稳定性
欲使物体具有稳定性
① 物体在受到扰动后能够产生稳定力矩，使物体具有 自身恢复到平衡状态的趋势
② 在恢复过程中同时产生阻力力矩，保证物体最终恢 复到平衡状态
在起飞降落时增加机翼的升 力，从而降低飞机离地和接 地速度，缩短起飞和降落滑 跑距离，目前使用的增升装 置原理主要有三类：
1..增大翼型弯度 2.增大机翼面积 3.延缓机翼上的附面层分离
阻力是与飞机运动轨迹平行，与飞行速度方向相反 的力。阻力阻碍飞机的飞行，但没有阻力飞机又无法 稳定飞行。
X
Cx
2.飞机上的作用力 升力垂直于飞行速度方向，它将飞机支托在空中，克 服飞机受到的重力影响，使其自由翱翔。
升力 Lift
水平直线匀速飞行
升力=重力
推力
推力=阻力
Pull
阻力 Drag
重力
Weight
2.1 升力
前方来流被机翼分为了 两部分：一部分从上表 面流过，一部分从下表 面流过。
P1
1 2
v12
大气环境
飞 行 环 境
空间环境
是航空器的唯一飞行环境，飞行原理：借助 空气 产生的升力来平衡地球引力，借助发 动机推力平衡空气阻力
是航天器的主要飞 行环境，飞行原理： 借助惯性离心力， 前行阻力减小，借 助惯性向前
目的： 为了准确描述飞行器的飞行性能，就 必须 建立一个统一的标准，即标准大气
国际标准大气规定 大气被看成完全气体，服从气体状态方程 以海平面的高度为零。且在海平面上，大气的 标准状态为 气温T=15摄氏度 压强P=1个标准大气压（10330kg/m ² ） 密度ƥ= 1.225kg/m3 音速a=341m/s
4.2速度
最大平飞速度：一般是指发动机最大推力状态下，飞机做水平直 线飞行时所能达到的最高稳定平飞速度。
最小平飞速度：飞机最小平飞速度是维持飞机水平直线稳定飞行的 最低速度
巡航速度：每千米耗油量最小的飞行速度，即达到最大航程的飞 行速度
4.3距离
航时 飞机耗尽可用燃 油时能持续飞行 的时间
起飞距离 从开始滑跑到飞 机越过安全高度 时所经过的水平 距离
4.2质量守恒与连续方程
取横截面1,2，假设在 流管中流动的流体质量 既不 会穿越流管流出， 也不会有其它流体质量穿越流 面流入，则通过流管各截面的质量流量必须相等
可压缩流体沿管道流动的连 续性方程
P₁A₁ρ₁=P₂A₂ρ₂=常数
不可压缩流体沿管道流动的 连续性方程 P₁A₁=P₂A₂=常数
4.3 伯努利定理
2.2.2压差阻力
压差阻力是由处于流动空气中的物体的前后的压 力差，导致气流附面层分离，从而产生的阻力。
分
离
涡
点
流
区
机翼表面的气流分离
空气流在机翼前缘受到阻挡， 流速减慢，压力增大；在后缘， 由于气流分离形成涡流区，压 力减小。
பைடு நூலகம்
2.2.3干扰阻力
飞机的各个部件，如机翼、机身、尾翼的单独阻力 之和小于把它们组合成一个整体所产生的阻力，这种 由于各部件气流之间的相互干扰而产生的额外阻力， 称为干扰阻力。
当大气流动速度较高（M>0.4）时，压强和速度 的变化很明显，就必须考虑大气的可压缩性
声速：声波在物体中的传播速度
水中的声速
1440 m/s
标准大气中的声速 341m/s
介质的可压缩性越大，声速越小，
如空气
介质的可压缩性越小，声速越大，
如水
马赫数Ma的定义为
V：飞行速度，a：当地声速。 可衡量空气受到压缩的程度
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，也叫大气摩檫力。它和相邻流动层的速度差和接触 面积成正比，与相邻的距离成反比。把不考虑粘性的流体 称为理想流体或无粘流体
当气体的压强改变时其密度和体积改变的性质
当气流速度较小时（M<0.4），压强和密度变化 很小，可以不考虑大气可压缩性的影响
航程 飞机在无风和不加油 的条件下，连续飞行 耗尽可用燃油时飞行 的水平距离
着陆滑跑距离 飞机从接地点开始，经滑跑 减速直至完全停止下来所经 过的距离叫着陆滑跑距离
Ma与飞行器飞行速度的关 系
Ma<0.4, 为低速飞行； 飞行器飞行速度越大，Ma就 越大， 0.4<Ma<0.85, 为亚声速飞行； 飞行器前面的空气就 压缩得越厉害。0.85<Ma<1.3, 为跨声速飞行；
1.3<Ma<5.0, 为超声速飞行；
Ma>5.0，为高超声速飞行
4.1相对运动原理 飞机相对运动原理：飞机以一定速度作水平直线飞行时， 作用在飞机上的空气动力与 远前方空气以该速度流向静止 不动的飞机时 所产生的空气动力效果完全一样。
飞机的稳定性是指， 飞机受扰偏离原平 衡状态，偏离后飞 机能自动恢复到原 平衡状态的能力。
4.1高度
爬升率：单位时间内，飞机等速上升的高度
理论升限：升限当爬升率等于零时，飞机上升的高度
实用升限：当爬升率小于某一规定值时，飞机所达到的高度就叫做升 限0.5m/s（亚声速飞机）或5m/s（超声速飞机）
管道中以稳定的流速流动的流体，若流体不可压缩，且与 外界无能量交换，则沿管道各点的动压与静压之和等于常 量
1 2
v2
P
P0
静压（P）+动压（12 v2 ）=总压（ P0 ）=常数
速度越大，动压也大，静压越小 速度越小，动压也小，静压越大
超音速气流在变截面管道中的流 动情况，与低速 气流相反，收缩 管道将使超音速气流减速、增压； 而扩张形管道将使超音速气流增 速、减压。
P0
P2
1 2
v22
P0
P1
1 2
v12
P2
1 2
v22
v1 v2
P1 P2
2.1.2升力公式
L
Cy
1 2
v2
S
1 2
v 2C y S
C y —飞机的升力系数
V 1
2 —飞机的飞行动压
2
S —机翼的面积。
2.1.3升力系数随迎角的变化规律
➢当α<α临界，升力系数随迎角增大而增大。 ➢当α=α临界，升力系数为最大。 ➢当α>α临界，升力系数随迎角的增大而减小，进入失速区。
飞机各部件之间 的平滑过渡和整流 包皮，可以有效地 减小干扰阻力的大 小。
2.2.4诱导阻力
由于翼尖涡的诱导，导致气流下洗，在平行于相对 气流方向出现阻碍飞机前进的力，这就是诱导阻力。
影响诱导阻力的因素
➢机翼平面形状：椭圆形机 翼的诱导阻力最小。 ➢展弦比越大，诱导阻力越小 ➢升力越大，诱导阻力越大 ➢平直飞行中，诱导阻力与飞行 速度平方成反比 ➢翼梢小翼可以减小诱导阻力
•诱导阻力(Induced Drag)
升力
粘性
由于飞机表面上空气有粘性，气流与飞机表面发生粘 滞摩擦而引起的与飞行方向相反的力，称为摩擦阻力。
摩擦阻力的大小与附面层的类型密切相关，此外 还取决于空气与飞机的接触面积和飞机的表面状况。 ➢ 紊流附面层的摩擦阻力比层流附面层的大。 ➢ 飞机的表面积越大，摩擦阻力越大。 ➢ 飞机表面越粗糙，摩擦阻力越大。