飞行奥妙与空气动力学(2018,刘沛清)

（
且强调说道：“顶着风
公
飞，你就容易升高向上，
元
以后，当你下降的时候，
要顺着风飞扬。”然而
的
经 Egil实践，顺风下降
羽 衣
年
并不平稳。后来才知道， 原来不论起飞着陆都应
）
逆风行驶。
飞行奥秘与空气动力学
一、飞行的梦想— 古代人类的飞行梦想
中国诗人李白（公元720年）： 大鹏一日同风起，扶摇直上九万里。 假令风歇时下来，犹能簸却沧溟水。 世人见我恒殊调，闻余大言皆冷笑。 宣父犹能畏后生，丈夫未可轻年少。
（1）当风速达到一定值时，大鹏可以借助于风与鸟翼的 相对运动，扶摇直上； （2）如果风停下来，大鹏降落到水面，通过鸟翼的气流 运动仍能扬起江海里的水；
李白已经注意到空气与鸟翼的相对运动可以产生升力。
飞行奥秘与空气动力学
一、飞行的梦想— 古代人类的飞行梦想
在《庄子－逍遥游》中说：“北冥有鱼，其名为鲲。鲲之大，不知其几 千里也。化而为鸟，其名为鹏。鹏之背，不知其几千里也。
飞行奥秘与空气动力学
鸟类中飞行速度
最快的雨燕可以达到
170km/h.
J10
大雁 尖头雨燕
SU35
J20 F-22
YF-12 MIG31
游隼
鹰
最快的美国军用机YF-12时速可达到
3700km/h，现代战斗机的一般时速也在
鸽子
2000km/h以上.
蜂鸟
速度km/h
0
50
100
200
1000
2000
3000
非固定翼飞行器 直升机
旋翼机
飞艇
各类飞机
扑翼机
飞行奥秘与空气动力学
飞行奥秘与空气动力学
高度/m
30000
20000
最大的鸟信天翁 翼展可达4m； 飞得最高的鸟可在 9000m海拔翱翔。
10000
空中巨无霸A380可达80m； 一般的航空器飞行高度都可达万米以上。
0.1
12 4
10
20
40
尺寸/m 80
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
2、 早期的探索
五 代 时 期
风 筝
重力
风筝在有风的情况下，气流绕过有迎角的表面产生垂直于 风筝表面的总空气动力。总空气动力分为垂直向上的升力和 水平方向的阻力。拉力在水平方向的分力克服阻力，竖直向 下的分力和重力一起平衡升力。
——
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
二、尝试与实践
3、 梦想成真
1903年12月17日，世界上 第一架有动力、可操纵的飞机 由美国莱特兄弟驾驶试飞成功。 飞行者1号的起飞重量仅仅 360kg，勉强能载一个人飞离 地面，速度比汽车还慢，只有 48km/h，最成功一次飞行只有 59秒，距离260m。但是就这 么一架不起眼的小飞机翻开了 人类航空史上的重要一页，从 此人类实现了带动力飞行的固 1903 年 12 月 17 日由约翰·Daniels 拍 定翼飞机，让人类进入航空文 摄的历史性瞬间相片 明时代。
飞行奥秘与空气动力学
一、飞行的梦想— 古代人类的飞行梦想
飞行奥秘与空气动力学 第二章 尝试与实践
古代 飞行 技艺
1
航空 的先 导者
2
4
梦想 成真
3
早期 探索
飞行奥秘与空气动力学 第二章 尝试与实践
通过对力的认识的逐渐加深，人类从幻想走向了实践。升天首 先要由升力以克服重力。早期的飞行器如孔明灯、风筝、竹蜻蜓以 最朴素的方式解决了升力的问题。
1）达·芬奇 2）凯利 3）李林达尔
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
2、 早期的探索
1） 达·芬奇
人类向往飞行是从模仿 鸟类飞行开始的，历史上 意大利全才科学家达芬奇 （1452－1519）是第一个 把科学推理用于研究鸟飞 行原理的人，他研究了20 年扑翼飞机，最后得出结 论是：受人体重量的限制， 靠人的臂力带动机翼是不 可能升空的。
V 飞行速度方向
升力L
力矩=0
气流相对运动方向
重力G 平尾负升力
早期的飞行器可以升天，却无法控制飞行姿态。如何才能向鸟儿 一样自如飞行呢。细心的观察者发现，当鸟需要俯仰或转向时，它 们或是身体倾斜，或是扭动尾翼。因此，介入了力矩的概念。
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
2、 早期的探索
飞天的探索从意大利文艺复兴时期开始，走上科学探索之路。先驱 们沿着不同的道路摸索：或着手升力、动力等问题，从滑翔飞行开 始。
二、尝试与实践
1783年6月5日， 法国蒙哥尔兄弟 用麻布制成热气 球，完成了升空 表演。通过气球 开口处烧草发烟， 充满气球并加热， 从而产生浮升力， 使气球升空。
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
古代飞行技艺
走 马 灯 （
1000 ——
燃 气 涡
年 ）
轮
的
前
身
当灯笼内灯 烛点燃後，热 气上升，形成 气流，从而推 动轮轴旋转， 於是剪纸随轮 轴转动。它们 的影子投射到 灯笼纸罩上。 从外面看，便 成为“车驰马 骤、团团不休” 之景况。
飞行奥秘与空气动力学
二、最初的尝试
古代飞行技艺
1200 ——
荷
荷兰的风车，
兰
最早从德国
风
引进。开始
车
时，风车仅
（
用于磨粉之
类。到了
年 力）
16～17世纪， 风车对荷兰
矩
的经济有着
原
特别重大的
理
意义。
飞行奥秘与空气动力学
二、最初的尝试
古代飞行技艺
空
竹
气 反 作
水 平
蜻 蜓
用
旋
力
转
面
直
向
升
下
机
气
的
流
飞行奥妙与空气动力学原理
Flight Secrets and Aerodynamics
刘沛清 北京航空航天大学陆士嘉实验室
2018年3月31日
飞行奥秘与空气动力学
绪论
人类虽然没有翅膀，但有一个无限创造力的大脑， 通过对鸟的飞行奥妙的认知与实践，制造出的各种飞 行器，在尺度、飞行高度、飞行速度、飞行航程、复 杂程度等方面，远非鸟所及。远超过唐代诗人李商隐 的名句“身无彩凤双飞翼，心有灵犀一点通” 。
无重量说
飞行奥秘与空气动力学
800 ——
一、飞行的梦想— 古代人类的飞行梦想
古
希 年腊 ）神
话
丘 比 特 （ 厄 洛 斯 ）
传 说 人 物 （ 公 元 前
通过对鸟类飞行 的观察，古希腊人 已经认识到翅膀扑 动对飞行的重要性， 于是为丘比特象征 性的加上了一对小 翼。只是这样的翅 膀对于如此重的人 体还是显得力不从 心。
飞行奥秘与空气动力学
475 ——
一、飞行的梦想— 古代人类的飞行梦想
公中
元国
前古
代
神
年 ）
话 传
说
（
嫦战
娥国
奔末
月年
那时人们缺乏对重
力的认识，以为物体 离开地面不受重力的 影响。那时的飞天传 说充满了玄秘与浪漫 的色彩。如中国远古 帝王的女儿嫦娥本月 无需借助产生上举力 （升力）的器械，便 凭风飘然而起，如同 失重一般升空。
飞行奥秘与空气动力学
美国发明家威尔伯·莱特Wilbur Wright （1867～1912年） 和奥维尔·莱特Orville Wright （1871～1948年 ）。
飞行奥秘与空气动力学
飞行奥秘与空气动力学
航空器：在大气层内飞行的飞行器
轻于空气的航空器
重于空气的航空器
气球
固定翼飞行器 滑翔机
4000
飞行奥秘与空气动力学
今天，大大小小不同的航空器在各自的领域发挥重要的 作用。航空技术水平成为衡量一个国家经济技术水平、 国防实力和综合国力的重要标志。 退去高难度的技术层面，飞行器的原理还是相对简单的。
飞行奥秘与空气动力学
力平衡原理 （弹簧秤，气球原理）
飞行奥秘与空气动力学
力平衡原理 （中国的杆秤，飞机）
自然的启发
鸟类的仿生学贡献
智慧的结晶
现代三大机种的 力学奥妙
飞行奥秘与空气动力学
第一章 飞行的梦想
人类关于飞行的梦想源远流长，古已有之。大 量关于飞行的神话与传说，美丽而玄妙，对人们有 极大的吸引力。古希腊与古罗马有架战车飞行、羽 衣飞行、丘比特飞行射箭等；中国有飞车、嫦娥奔 月等。种种传说，无一不表现了人类对翱翔天空、 凌云御风的渴望与遐想。 人类渴望像小鸟一样自由飞翔！
战
一飘就是十有五天，飘
列国 子时 御期
游够了才回家，那个自 在劲儿，令人羡慕不已。
风）
无阻力、无重力说
——
飞行奥秘与空气动力学
100—200
——Wayland
一、飞行梦想— 古代人类的飞行梦想
北
欧 古 代 神
根据传说，Wayland 制成他的第一套飞行翅 膀后，就开始同他的兄
话
弟Egil一同进行实验，
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
2、 早期的探索
1） 达·芬奇
15世纪70年代，达芬奇画出的一种由飞行员 自己提供动力的飞行器，并称这种飞行器为 “扑翼飞机”。
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
2、 早期的探索
2）乔治·凯利（1773-1857） ——空气动力学之父，英国人
也许是受中国风筝的启发，在 空气动力学之父英国科学家凯利的 科学理论指导下，通过对鸟翼面积、 鸟的体重和飞行速度的观察，估算 出速度、翼面积和升力之间的关系， 在1809年其所发表的“论空中航行” 著名论文中，提出了人造飞行器应 该将推进动力和升力面分开考虑的 设想，使更多人放弃了单纯模仿鸟 的扑翼，逐渐接受和实践了固定翼 技术产生升力的正确原理。
2、 早期的探索
2）乔治·凯利
但是，当时的技术还未能制造合 适的发动机，于是凯利便以俯冲作 为推进动力发明了滑翔机。
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
2、 早期的探索
鸟 在 翱 翔 时 的 受 力 。
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
2、 早期的探索
3）李林达尔，O. （1848-1896）
德国工程师和滑翔飞行家李林 达尔，是一位制造与实践固定翼滑 翔机航空先驱之一。李林达尔制造 了多架单翼或双翼滑翔机，并在柏 林附近试飞2000多次，积累了丰 富资料，虽然其最终未能实现动力 飞行，但他所积累的大量飞行经验 和数据，为日后美国莱特兄弟实现 动力飞行提供了许多宝贵教益。
前
身
——
竹蜻蜓的叶片和水平旋转面之间有一个倾角。当旋翼旋转时， 旋转的叶片将空气向下推，而空气也给竹蜻蜓一股向上的反作用 升力，这股升力随著叶片的倾斜角而改变。当升力大于竹蜻蜓的 重量时，竹蜻蜓便可向上飞起。
飞行奥秘与空气动力学
二、最初的尝试
活塞螺旋桨发动机
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
2、 早期的探索
天鸥 2.5万个羽毛与骨头
波音747-400 240倍 600多万个零件和连接件
飞行奥秘与空气动力学
绪论
人类从飞鸟中得到启示，在长期的探索过程中，对飞行的认识 从神话到实现，经历上千年的历史。 人类真正实践翱翔天空的梦想，应归于近代100多年的历史。 自1903年12月17日，美国莱特兄弟发明人类第一架带动力的飞 机以来，人类开创了航空新纪元。经过114年努力，我们不仅掌 握了飞行奥妙，克服各种技术难关，研制出不同类型和用处的 飞行器，成为二十世纪人类史上最伟大的科技成果，为社会的 文明发展起到巨大的促进作用。
飞行奥秘与空气动力学
然而就是这简单的力平衡原理，人类历经了近上千年认识 与实践过程。
人类要想实现飞行： 如何产生升力？ 如何克服阻力？ 如何保持平衡或稳定？ 如何控制与导航？
目录
飞行奥秘与空气动力学
Fruit
Practice
Dream
Exploration
飞行的梦想
古代人类的飞天之梦
尝试与实践
人类的飞天历程
微重量说
飞行奥秘与空气动力学
800
——
一、飞行的梦想— 古代人类的飞行梦想
古
希
戴达罗斯临行前对儿子
腊
说：“你如果飞得太低，
神 戴话 达传 罗说
羽翼会碰到海水，沾湿 了会变得沉重，你就会 被拽在大海里；要是飞
斯（
得太高，翅膀上的羽毛
父公
会因靠近太阳而着火。”
子元
可见此时人们已经对飞
插前
行中重力的影响有了一
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
3、 梦想成真
莱特兄弟的飞机设计图
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
3、 梦想成真
莱特兄弟 奥维尔（1871—1948） 维尔伯（1867—1912）
世人一般认为他们于 1903年12月17日首次完成 完全受控制、附机载外部 动力、机体比空气浮力大、 可持续飞行，并因此将发 明了世界上第一架实用飞 机的成就归功给他们。
飞行奥秘与空气动力学
飞行奥秘与空气动力学
二、尝试与实践
1、中国古代飞行技艺
空气浮力 （升力）
重力
—— 220
年
孔 明
孔明灯五面封
灯 闭地面镂空，并
且装有烛灯。灯
内空气被加热后，
三 空气分子密度小
国 于周围大气，故
时 产生向上的浮力，
期 ， 公
从而克服重力， 升上天空。此后
元 的热气球和孔明
灯原理相同。
飞行奥秘与空气动力学
翅 逃 亡年
定的认识，只可惜伊卡 洛斯还是因为翅膀散落
）
命丧大海。
飞行奥秘与空气动力学
一、飞行的梦想— 古代人类的飞行梦想
古
对风力的认识和应用
Baidu Nhomakorabea
代
在中国已有4000年的
中
历史，凭借风力飞行的
国
设想早在公元前就有记
对 风 的
载。 列子，战国时代（公
认
元前450年）的传奇人
识
物，据说他能乘风而行，
（
轻虚飘渺，微妙无比，