空氣動力學基礎(chǔ)

空氣動力學基礎(chǔ)第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第二章空氣動力學基礎(chǔ)第一節(jié)力的平衡飛行中的飛機受的力可分為升力、重力、阻力、推力﹝如圖1-1﹞，升力由機翼提供，推力由引擎提供，重力由地心引力產(chǎn)生，阻力由空氣產(chǎn)生第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)伯努利定律

在一個流體系統(tǒng)，比如氣流、水流中，流速越快，流體產(chǎn)生的壓力就越小，這就是被稱為“流體力學之父”的丹尼爾·伯努利1738年發(fā)現(xiàn)的“伯努利定律”。

這個壓力產(chǎn)生的力量是巨大的，空氣能夠托起沉重的飛機，就是利用了伯努利定律。飛機機翼的上表面是流暢的曲面，下表面則是平面。這樣，機翼上表面的氣流速度就大于下表面的氣流速度，所以機翼下方氣流產(chǎn)生的壓力就大于上方氣流的壓力，飛機就被這巨大的壓力差“托住”了。第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一伯努利定律是空氣動力最重要的公式，簡單的說流體的速度越大，靜壓力越小，速度越小，靜壓力越大，這里說的流體一般是指空氣或水，在這里當然是指空氣，設(shè)法使機翼上部空氣流速較快，靜壓力則較小，機翼下部空氣流速較慢，靜壓力較大，兩邊互相較力﹝如圖1-3﹞，

于是機翼就被往上推去，然后飛機就飛起來了第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

以前的理論認為兩個相鄰的空氣質(zhì)點同時由機翼的前端往后走，一個流經(jīng)機翼的上緣，另一個流經(jīng)機翼的下緣，兩個質(zhì)點應(yīng)在機翼的后端相會合﹝如圖1-4﹞，第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

經(jīng)過仔細的計算后發(fā)覺如依上述理論，上緣的流速不夠大，機翼應(yīng)該無法產(chǎn)生那么大的升力，現(xiàn)在經(jīng)風洞實驗已證實，兩個相鄰空氣的質(zhì)點流經(jīng)機翼上緣的質(zhì)點會比流經(jīng)機翼的下緣質(zhì)點先到達后緣﹝如圖1-5﹞。第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)翼型介紹

飛機最重要的部分當然是機翼了，飛機能飛在空中全靠機翼的浮力，機翼的剖面稱之為翼型，為了適應(yīng)各種不同的需要，航空前輩們發(fā)展了各種不同的翼型，從適用超音速飛機到手擲滑翔機的翼型都有，翼型的各部名稱如﹝圖3-1﹞第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

因為翼型實在太多種類了，一般人如只知編號沒有坐標也搞不清楚到底長什么樣，所以在模型飛機界稱呼翼型一般常分成以下幾類﹝如圖3-2﹞：第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一１全對稱翼：上下弧線均凸且對稱。２半對稱翼：上下弧線均凸但不對稱。３克拉克Y翼：下弧線為一直線，其實應(yīng)叫平凸翼，有很多其它平凸翼型，只是克拉克Y翼最有名，故把這類翼型都叫克拉克Y翼，但要注意克拉克Y翼也有好幾種。４S型翼：中弧線是一個平躺的S型，這類翼型因攻角改變時，壓力中心較不變動，常用于無尾翼機。５內(nèi)凹翼：下弧線在翼弦在線，升力系數(shù)大，常見于早期飛機及牽引滑翔機，所有的鳥類除蜂鳥外都是這種翼型。６其它特種翼型。以上的分類只是一個粗糙的分類，在觀察一個翼型的時候，最重要的是找出它的中弧線，然后再看它中弧線兩旁厚度分布的情形，中弧線彎曲的方式、程度大至決定了翼型的特性，弧線越彎升力系數(shù)就越大，但一般來說光用眼睛看非常不可靠，克拉克Y翼的中弧線就比很多內(nèi)凹翼還彎。第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)飛行中的阻力

如何減少阻力是飛機設(shè)計的一大難題，飛行中飛機引擎的推力全部用來克服阻力，如果可以減少阻力則飛機可以飛得更快，不然可以把引擎改小減少重量及耗油量，拿現(xiàn)代私人小飛機與一次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機相比，引擎大約都差不多一百多匹馬力，現(xiàn)代私人小飛機光潔流線的機身相對于一次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機整架飛機一堆亂七八糟的支柱與張線，現(xiàn)代飛機速度幾乎是它前輩的一倍，所以減少阻力是我們設(shè)計飛機時需時時刻刻要注意的第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

液冷式發(fā)動機空冷式發(fā)動機第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一我們先要了解阻力如何產(chǎn)生，一架飛行中飛機阻力可分成四大類：１磨擦阻力：空氣分子與飛機磨擦產(chǎn)生的阻力，這是最容易理解的阻力但不很重要，只占總阻力的一小部分，當然為減少磨擦阻力還是盡量把飛機磨光。２形狀阻力：物體前后壓力差引起的阻力，平常汽車廣告所說的風阻系數(shù)就是指形狀阻力系數(shù)﹝如圖3-3﹞，第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

飛機做得越流線形，形狀阻力就越小，尖錐狀的物體形狀阻力不見得最小，反而是有一點鈍頭的物體阻力小，讀者如果有機會看到油輪船頭水底下那部分，你會看到一個大頭，高級滑翔機大部分也有一個大頭，除了提供載人的空間外也是為了減少形狀阻力。３誘導(dǎo)阻力：機翼的翼端部因上下壓力差，空氣會從壓力大往壓力小的方向移動，部份空氣不會規(guī)規(guī)矩矩往后移動，而從旁邊往上翻，因而在兩端產(chǎn)生渦流﹝如圖3-4﹞，因而產(chǎn)生阻力第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

這現(xiàn)象在飛行表演時，飛機翼端如有噴煙時可看得非常清楚，你可以注意渦流旋轉(zhuǎn)的方向﹝如圖3-5﹞第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一 ﹝圖3-6﹞是NASA的照片，可看見壯觀的渦流，因為這種渦流延伸至水平尾翼時，從水平尾翼的觀點氣流是從上往下吹，因此會減小水平尾翼的攻角，也就是說水平尾翼的攻角實際會比較小，第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一翼尖小翼第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一 ﹝圖3-6﹞只不過是一架小飛機，如像類似747這種大家伙起飛降落后，小飛機要隔一陣子才能起降，否則飛入這種渦流，后果不堪設(shè)想，這種阻力是因為渦流產(chǎn)生，所以也稱渦流阻力。４寄生阻力：所有控制面的縫隙﹝如主翼后緣與副翼間﹞、主翼及尾翼與機身接合處、機身開孔處、機輪及輪架、拉桿等除本身的原有的阻力以外，另外衍生出來的阻力﹝如圖3-7，3-8﹞。第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

一架飛機的總阻力就是以上四種阻力的總合，但飛機的阻力互相影響的，以上的分類只是讓討論方便而已，另外誘導(dǎo)阻力不只出現(xiàn)在翼端，其它舵面都會產(chǎn)生，只是翼端比較嚴重，磨擦阻力、形狀阻力、寄生阻力與速度的平方成正比，速度越快阻力越大，誘導(dǎo)阻力則與速度的平方成反比﹝如圖3-9﹞，所以要減少阻力的話，無動力飛機重點在減少誘導(dǎo)阻力，高速飛機重點在減少形狀阻力與寄生阻力。第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)翼面負載

翼面負載就是主翼每單位面積所分擔的重量，這是評估一架飛機性能很重要的指針，模型飛機采用的單位是每平方公寸多少公克﹝g/dm2﹞，實機的的單位則是每平方公尺多少牛頓﹝N/m2﹞，翼面負載越大意思就是相同翼面積要負擔更大的重量，如果買飛機套件的話大部分翼面負載都標示在設(shè)計圖上，計算翼面負載很簡單，把飛機﹝全配重量不加油﹞秤重以公克計，再把翼面積計算出來以平方公寸計﹝一般為簡化計算，與機身結(jié)合部分仍算在內(nèi)﹞兩個相除就得出翼面負載，例如一架30級練習機重1700公克，主翼面積30平方公寸，則翼面負載為56.7g/dm2。第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第六節(jié)雷諾數(shù)與失速機翼的升力隨攻角的增大而增加，攻角就是翼弦線與氣流的夾角第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

攻角為零度時對稱翼此時不產(chǎn)生升力，但克拉克Y翼及內(nèi)凹翼仍有升力，后二種翼型要負攻角才不產(chǎn)生升力，不產(chǎn)生升力的攻角叫零升攻角﹝如圖3-11﹞，第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

所以對稱翼的零升攻角就是零度，誰都知道攻角增加有一個上限，超過這上限就要失速，那機翼什么時候會失速呢？﹝圖3-12a﹞是飛機正常飛行時流經(jīng)機翼的氣流，﹝圖3-12b﹞是飛機失速時的氣流，這時上翼面產(chǎn)生強烈亂流，直接的結(jié)果是阻力大增，而且氣流沖擊上翼面，使升力大減，于是重力主控這架飛機，就是摔下去啦，那我們想事先知道機翼什么時候會失速，這就有需要知道雷諾數(shù)第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

雷諾數(shù)原始公式是：

Re=ρ?V?b/μρ是空氣密度、V是氣流速度、b是翼弦長、μ黏性系數(shù)。因?qū)δＰ惋w機而言空氣密度與黏性系數(shù)是定值，因為你不會飛很高故空氣密度不變，而且你不會飛到水里故黏性系數(shù)不變，故以上公式可簡化為：Re=68500?V?bV單位是公尺/秒b是公尺。雷諾數(shù)越大越不容易失速，一架飛機的失速角不是一定值，速度越慢時﹝雷諾數(shù)小﹞越容易失速，翼面負載越大時，因飛行時攻角較大也越容易失速，三角翼飛機翼弦都很大，所以雷諾數(shù)大，比較不容易失速。

第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第七節(jié)展弦比

展弦比A就是翼展L除以平均翼弦b(A=L/b)，L與b單位都是公分，如果不是矩形翼的話我們把右邊上下乘以L，得A=L2/S，S是主翼面積，單位是平方公分，這樣省得求平均翼弦，一般適合的展弦比在5~7左右如前所述磨擦阻力、形狀阻力與速度的平方成正比，速度越快阻力越大，誘導(dǎo)阻力則與速度的平方成反比，所以高速飛機比較不考慮誘導(dǎo)阻力，所以展弦比低，滑翔機速度慢，采高展弦比以降低誘導(dǎo)阻力，最典型的例子就是U2﹝如圖3-15﹞跟F104﹝如圖3-16﹞第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

U2為高空偵察機，為長時間翱翔，典型出一次任務(wù)約10~12小時，U2展弦比為10.5第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

F104為高速攔截機，速度達2倍音速以上，展弦比4.5，自然界也是如此，信天翁為長時間遨翔，翅膀展弦比高，隼為掠食性動物，為求高速、靈活，所以展弦比低。第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第八節(jié)基本飛行動作

升降舵：控制飛機的升降（抬頭。、壓頭）。

升降舵面拉起，飛機以重心為軸，機頭向上，機尾向下，進行爬升。相反，舵面下壓，進行下降。第28頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

方向舵：用