航空模型的空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)_圖文

1、航空模型的空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第一章基礎(chǔ)物理本章介紹一些基本物理觀念,在此只能點(diǎn)到為止,如果你在學(xué)校已上過了或沒興趣學(xué),請(qǐng)?zhí)^這一章直接往下看。第一節(jié)速度與加速度速度即物體移動(dòng)的快慢及方向,我們常用的單位是每秒多少公尺公尺/秒加速度即速度的改變率,我們常用的單位是公尺/秒/秒,如果加速度是負(fù)數(shù),則代表減速。第二節(jié)牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律第一定律:除非受到外來的作用力,否則物體的速度(v會(huì)保持不變。沒有受力即所有外力合力為零,當(dāng)飛機(jī)在天上保持等速直線飛行時(shí),這時(shí)飛機(jī)所受的合力為零,與一般人想象不同的是,當(dāng)飛機(jī)降落保持相同下沉率下降,這時(shí)升力與重力的合力仍是零,升力并未減少,否則飛機(jī)會(huì)越掉越快。第二定律:某質(zhì)量

2、為m的物體的動(dòng)量(p=mv變化率是正比于外加力F并且發(fā)生在力的方向上。此即著名的F=ma公式,當(dāng)物體受一個(gè)外力后,即在外力的方向產(chǎn)生一個(gè)加速度,飛機(jī)起飛滑行時(shí)引擎推力大于阻力,于是產(chǎn)生向前的加速度,速度越來越快阻力也越來越大,遲早引擎推力會(huì)等于阻力,于是加速度為零,速度不再增加,當(dāng)然飛機(jī)此時(shí)早已飛在天空了。第三定律:作用力與反作用力是數(shù)值相等且方向相反。你踢門一腳,你的腳也會(huì)痛,因?yàn)殚T也對(duì)你施了一個(gè)相同大小的力第三節(jié)力的平衡作用于飛機(jī)的力要?jiǎng)偤闷胶?如果不平衡就是合力不為零,依牛頓第二定律就會(huì)產(chǎn)生加速度,為了分析方便我們把力分為X、Y、Z三個(gè)軸力的平衡及繞X、Y、Z三個(gè)軸彎矩的平衡。軸力不平衡

3、則會(huì)在合力的方向產(chǎn)生加速度,飛行中的飛機(jī)受的力可分為升力、重力、阻力、推力如圖1-1,升力由機(jī)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,我們可以把力分解為兩個(gè)方向的力,稱x及y方向當(dāng)然還有一個(gè)z方向,但對(duì)飛機(jī)不是很重要,除非是在轉(zhuǎn)彎中,飛機(jī)等速直線飛行時(shí)x方向阻力與推力大小相同方向相反,故x方向合力為零,飛機(jī)速度不變,y方向升力與重力大小相同方向相反,故y方向合力亦為零,飛機(jī)不升降,所以會(huì)保持等速直線飛行。 彎矩不平衡則會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)加速度,在飛機(jī)來說,X軸彎矩不平衡飛機(jī)會(huì)滾轉(zhuǎn),Y軸彎矩不平衡飛機(jī)會(huì)偏航、Z軸彎矩不平衡飛機(jī)會(huì)俯仰如圖1-2。 第四節(jié)伯努利定律伯努利定律是空氣動(dòng)力最

4、重要的公式,簡(jiǎn)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(dāng)然是指空氣,設(shè)法使機(jī)翼上部空氣流速較快,靜壓力則較小,機(jī)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(jī)翼就被往上推去,然后飛機(jī)就飛起來,以前的理論認(rèn)為兩個(gè)相鄰的空氣質(zhì)點(diǎn)同時(shí)由機(jī)翼的前端往后走,一個(gè)流經(jīng)機(jī)翼的上緣,另一個(gè)流經(jīng)機(jī)翼的下緣,兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)應(yīng)在機(jī)翼的后端相會(huì)合如圖1-4,經(jīng)過仔細(xì)的計(jì)算后發(fā)覺如依上述理論,上緣的流速不夠大,機(jī)翼應(yīng)該無法產(chǎn)生那么大的升力,現(xiàn)在經(jīng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)已證實(shí),兩個(gè)相鄰空氣的質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)機(jī)翼上緣的質(zhì)點(diǎn)會(huì)比流經(jīng)機(jī)翼的下緣質(zhì)點(diǎn)先到達(dá)后緣如圖1-5。 我曾經(jīng)在雜志上看

5、過某位作者說飛機(jī)產(chǎn)生升力是因?yàn)闄C(jī)翼有攻角,當(dāng)氣流通過時(shí)機(jī)翼的上緣產(chǎn)生”真空”,于是機(jī)翼被真空吸上去如圖1-6,他的真空還真聽話,只把飛機(jī)往上吸,為什么不會(huì)把機(jī)翼往后吸,把你吸的動(dòng)都不能動(dòng),還有另一個(gè)常聽到的錯(cuò)誤理論有時(shí)叫做子彈理論,這理論認(rèn)為空氣的質(zhì)點(diǎn)如同子彈一般打在機(jī)翼下緣,將動(dòng)量傳給機(jī)翼,這動(dòng)量分成一個(gè)往上的分量于是產(chǎn)生升力,另一個(gè)分量往后于是產(chǎn)生阻力如圖1-7,可是克拉克Y翼及內(nèi)凹翼在攻角零度時(shí)也有升力,而照這子彈理論該二種翼型沒有攻角時(shí)只有上面”挨子彈”,應(yīng)該產(chǎn)生向下的力才對(duì)啊,所以機(jī)翼不是風(fēng)箏當(dāng)然上緣也沒有所謂真空。 伯努利定律在日常生活上也常常應(yīng)用,最常見的可能是噴霧殺蟲劑了如圖1

6、-8,當(dāng)壓縮空氣朝A點(diǎn)噴去,A點(diǎn)附近的空氣速度增大靜壓力減小,B點(diǎn)的大氣壓力就把液體壓到出口,剛好被壓縮空氣噴出成霧狀,讀者可以在家里用杯子跟吸管來試驗(yàn),壓縮空氣就靠你的肺了,表演時(shí)吸管不要成90度,傾斜一點(diǎn)點(diǎn),以免空氣直接吹進(jìn)管內(nèi)造成皮托管效應(yīng),效果會(huì)更好。 第一節(jié)翼型介紹飛機(jī)最重要的部分當(dāng)然是機(jī)翼了,飛機(jī)能飛在空中全靠機(jī)翼的浮力,機(jī)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(jī)到手?jǐn)S滑翔機(jī)的翼型都有,翼型的各部名稱如圖3-1,100年來有相當(dāng)多的單位及個(gè)人做有系統(tǒng)的研究,與模型有關(guān)的方面比較重要的發(fā)展機(jī)構(gòu)及個(gè)人有: 1NACA:國(guó)家航空咨詢委員

7、會(huì)即美國(guó)太空總署NASA的前身,有一系列之翼型研究,比較有名的翼型是”四位數(shù)”翼型及”六位數(shù)”翼型,其中”六位數(shù)”翼型是層流翼。2易卜拉:易卜拉原先發(fā)展滑翔機(jī)翼型,后期改研發(fā)模型飛機(jī)翼型。3渥特曼:渥特曼教授對(duì)現(xiàn)今真滑翔機(jī)翼型有重大貢獻(xiàn)。4哥庭根:德國(guó)一次大戰(zhàn)后被禁止發(fā)展飛機(jī),但滑翔機(jī)沒在禁止之列,所以哥庭根大學(xué)對(duì)低速低雷諾數(shù)飛機(jī)翼型有一系列的研究,對(duì)遙控滑翔機(jī)及自由飛無遙控模型非常適用。5班奈狄克:匈牙利的班奈狄克翼型是專門針對(duì)自由飛模型,有很多翼型可供選擇。有些翼型有特殊的編號(hào)方式讓你看了編號(hào)就大概知道其特性,如NACA2412,第一個(gè)數(shù)字2代表中弧線最大弧高是2%,第二個(gè)數(shù)字4代表最大弧

8、高在前緣算起40%的位置,第三、四數(shù)字12代表最大厚度是弦長(zhǎng)的12%,所以NACA0010,因第一、二個(gè)數(shù)字都是0,代表對(duì)稱翼,最大厚度是弦長(zhǎng)的10%,但要注意每家命名方式都不同,有些只是單純的編號(hào)。因?yàn)橐硇蛯?shí)在太多種類了,一般人如只知編號(hào)沒有坐標(biāo)也搞不清楚到底長(zhǎng)什么樣,所以在模型飛機(jī)界稱呼翼型一般常分成以下幾類如圖3-2: 1全對(duì)稱翼:上下弧線均凸且對(duì)稱。2半對(duì)稱翼:上下弧線均凸但不對(duì)稱。3克拉克Y翼:下弧線為一直線,其實(shí)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(gè)平躺的S型,這類翼型因攻角改變時(shí),壓力

9、中心較不變動(dòng),常用于無尾翼機(jī)。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(jī)及牽引滑翔機(jī),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(gè)粗糙的分類,在觀察一個(gè)翼型的時(shí)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。第二節(jié)飛行中之阻力如何減少阻力是飛機(jī)設(shè)計(jì)的一大難題,飛行中飛機(jī)引擎的推力全部用來克服阻力,如果可以減少阻力則飛機(jī)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(jī)與一次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)相比,引

10、擎大約都差不多一百多匹馬力,現(xiàn)代私人小飛機(jī)光潔流線的機(jī)身相對(duì)于一次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)整架飛機(jī)一堆亂七八糟的支柱與張線,現(xiàn)代飛機(jī)速度幾乎是它前輩的一倍,所以減少阻力是我們?cè)O(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)需時(shí)時(shí)刻刻要注意的,我們先要了解阻力如何產(chǎn)生,一架飛行中飛機(jī)阻力可分成四大類:1磨擦阻力:空氣分子與飛機(jī)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(dāng)然為減少磨擦阻力還是盡量把飛機(jī)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(fēng)阻系數(shù)就是指形狀阻力系數(shù)如圖3-3,飛機(jī)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(diǎn)鈍頭的物體阻力小,讀者如果有機(jī)會(huì)看到油輪船頭水

11、底下那部分,你會(huì)看到一個(gè)大頭,高級(jí)滑翔機(jī)大部分也有一個(gè)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(jī)翼的翼端部因上下壓力差,空氣會(huì)從壓力大往壓力小的方向移動(dòng),部份空氣不會(huì)規(guī)規(guī)矩矩往后移動(dòng),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,這現(xiàn)象在飛行表演時(shí),飛機(jī)翼端如有噴煙時(shí)可看得非常清楚,你可以注意渦流旋轉(zhuǎn)的方向如圖3-5,圖3-6是NASA的照片,可看見壯觀的渦流,因?yàn)檫@種渦流延伸至水平尾翼時(shí),從水平尾翼的觀點(diǎn)氣流是從上往下吹,因此會(huì)減小水平尾翼的攻角,也就是說水平尾翼的攻角實(shí)際會(huì)比較小,圖3-6只不過是一架小飛機(jī),如像類似747這種大家伙起飛降落后,小飛機(jī)要隔

12、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?yàn)闇u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(jī)身接合處、機(jī)身開孔處、機(jī)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。 一架飛機(jī)的總阻力就是以上四種阻力的總合,但飛機(jī)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(huì)產(chǎn)生,只是翼端比較嚴(yán)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(dòng)力飛機(jī)重點(diǎn)在減少誘導(dǎo)阻力,高速飛機(jī)重點(diǎn)在減少形狀阻力與

13、寄生阻力。 第三節(jié)翼面負(fù)載翼面負(fù)載就是主翼每單位面積所分擔(dān)的重量,這是評(píng)估一架飛機(jī)性能很重要的指針,模型飛機(jī)采用的單位是每平方公寸多少公克g/dm2,實(shí)機(jī)的的單位則是每平方公尺多少牛頓N/m2,翼面負(fù)載越大意思就是相同翼面積要負(fù)擔(dān)更大的重量,如果買飛機(jī)套件的話大部分翼面負(fù)載都標(biāo)示在設(shè)計(jì)圖上,計(jì)算翼面負(fù)載很簡(jiǎn)單,把飛機(jī)全配重量不加油秤重以公克計(jì),再把翼面積計(jì)算出來以平方公寸計(jì)一般為簡(jiǎn)化計(jì)算,與機(jī)身結(jié)合部分仍算在內(nèi)兩個(gè)相除就得出翼面負(fù)載,例如一架30級(jí)練習(xí)機(jī)重1700公克,主翼面積30平方公寸,則翼面負(fù)載為56.7g/dm2。練習(xí)機(jī)一般在5070左右,特技機(jī)約在6090,熱氣流滑翔機(jī)3050,像真

14、機(jī)110以內(nèi)還可忍受,牽引滑詳機(jī)約1215左右,我在新店市白馬飛行場(chǎng)看過一對(duì)兄弟飛一架自己設(shè)計(jì)的大嘴鳥,翼面負(fù)載130,但也飛的很漂亮,總括來說,翼面負(fù)載太大的話,起飛滑行時(shí)老牛破車慢慢加速,好不容易起飛后飛行轉(zhuǎn)彎時(shí)千萬不要減速太多彎要轉(zhuǎn)大一點(diǎn),否則很容易失速,降落速度超快,滑行一大段距離才停的住。說到這里稍微離題一下,我常在飛行場(chǎng)聽到有人說重的飛機(jī)飛的比較快,我們來驗(yàn)證一下看這說法正不正確,一架飛機(jī)引擎的馬力假設(shè)是P,從物理課本可知P=FV,F是力,V是速度,飛機(jī)在水平直線飛行時(shí)F就是阻力的總合,因P是定值不考慮螺旋槳效率,所以飛機(jī)極速只跟阻力F有關(guān),同一型飛機(jī)理論上速度應(yīng)一樣,但假設(shè)其中一

15、架用的木頭比較重,平飛時(shí)比較重的飛機(jī)翼面負(fù)載大攻角要比較大,因而阻力F比較大,所以速度V就比較小,所以重的飛機(jī)不可能飛得比較快,要使飛機(jī)飛的快應(yīng)該要減少阻力才對(duì),重的飛機(jī)代價(jià)很大,加速及爬升慢、極速也慢,動(dòng)作不靈活,比較容易失速,好處只是比較抗側(cè)風(fēng),俯沖時(shí)比較快。第四節(jié)雷諾數(shù)與失速機(jī)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如圖3-10,攻角為零度時(shí)對(duì)稱翼此時(shí)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(fù)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,所以對(duì)稱翼的零升攻角就是零度,誰都知道攻角增加有一個(gè)上限,超過這上限就要失速,那機(jī)翼什么時(shí)候會(huì)失速呢?圖3-12

16、a是飛機(jī)正常飛行時(shí)流經(jīng)機(jī)翼的氣流,圖3-12b是飛機(jī)失速時(shí)的氣流,這時(shí)上翼面產(chǎn)生強(qiáng)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(jī),就是摔下去啦,那我們想事先知道機(jī)翼什么時(shí)候會(huì)失速,這就有需要知道雷諾數(shù),雷諾數(shù)原始公式是:Re=Vb/Re=Vb/是空氣密度、V是氣流速度、b是翼弦長(zhǎng)、黏性系數(shù)。 因?qū)δＰ惋w機(jī)而言空氣密度與黏性系數(shù)是定值,因?yàn)槟悴粫?huì)飛很高故空氣密度不變,而且你不會(huì)飛到水里故黏性系數(shù)不變,故以上公式可簡(jiǎn)化為:Re=68500Vb V單位是公尺/秒b是公尺。一架練習(xí)機(jī)譬如說時(shí)速90公里每秒25公尺,翼弦24公分,雷諾數(shù)=68500250.24=411

17、000,如果不是矩形翼的話,翼根與翼端弦長(zhǎng)不一樣,雷諾數(shù)當(dāng)然不同。雷諾數(shù)越大流經(jīng)翼表面的邊界層越早從層流邊層過渡為紊流邊界層,而紊流邊界層不容易從翼表面分離,所以比較不容易失速,雷諾數(shù)小的機(jī)翼邊界層尚未從層流邊層過渡為紊流邊界層時(shí)就先分離了,一般翼型的數(shù)據(jù)都會(huì)注明該數(shù)據(jù)是在雷諾數(shù)多大時(shí)所得,展弦比如沒特別說明則是無限大,翼型資料上大都會(huì)告訴你雷諾數(shù)多少時(shí)在幾度攻角失速,雷諾數(shù)越大越不容易失速如圖3-13,一架飛機(jī)的失速角不是一定值,速度越慢時(shí)雷諾數(shù)小越容易失速,翼面負(fù)載越大時(shí),因飛行時(shí)攻角較大也越容易失速,三角翼飛機(jī)翼弦都很大,所以雷諾數(shù)大,比較不容易失速。 實(shí)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)設(shè)法在失速前使機(jī)翼

18、抖動(dòng)及操縱桿震動(dòng),或者在機(jī)翼上裝置氣流分離警告器,以警告駕駛員飛機(jī)即將失速,模型飛機(jī)一般都沒什么征兆,初學(xué)降落時(shí)大部分的人都有這痛苦的經(jīng)驗(yàn),因進(jìn)場(chǎng)時(shí)作了太多的修正,耗掉了太多速度,說時(shí)遲那時(shí)快飛機(jī)一下子就摔下來,從此一連好幾個(gè)月進(jìn)場(chǎng)速度都超快,降落時(shí)不是海豚跳個(gè)三、四次就是把兩百公尺跑道用完還不夠。第五節(jié)展弦比從雷諾數(shù)的觀點(diǎn)機(jī)翼越寬、速度越快越好,但我們不要忘了阻力,短而寬的機(jī)翼誘導(dǎo)阻力會(huì)吃掉你大部分的馬力,也許讀者反應(yīng)很快,誘導(dǎo)阻力不是與速度平方成反比嗎?我們只要飛得夠快誘導(dǎo)阻力就不是問題了,但很可惜速度快的話形狀阻力也會(huì)與速度平方成正比增大,還有所有飛機(jī)遲早都要降落,降落時(shí)考慮跑道長(zhǎng)度、安

19、全性等,實(shí)機(jī)的話還有輪胎的磨耗,我們需要一個(gè)合理降落速度,總不能要求一架模型飛機(jī)以時(shí)速100公里降落吧,那跑道要長(zhǎng)得嚇人,而且沒幾個(gè)人對(duì)得準(zhǔn),火箭、飛彈飛的很快而且不用考慮降落,所以展弦比都很低,飛機(jī)則要有適合的展弦比,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57左右,超過8以上要特別注意機(jī)翼的結(jié)構(gòu),不要一陣風(fēng)就斷了,我作過展弦比10的飛機(jī),手投擲起飛的一剎那,機(jī)翼受風(fēng)彎成U形,非常漂亮如圖3-14,滑翔機(jī)實(shí)機(jī)的展弦比有些高達(dá)30以上,還曾經(jīng)出現(xiàn)

20、過套筒式的機(jī)翼,翼展可視需要伸長(zhǎng)或縮短。 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(jī)比較不考慮誘導(dǎo)阻力,所以展弦比低,滑翔機(jī)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,U2為高空偵察機(jī),為長(zhǎng)時(shí)間翱翔,典型出一次任務(wù)約1012小時(shí),U2展弦比為10.5,F104為高速攔截機(jī),速度達(dá)2倍音速以上,展弦比4.5,自然界也是如此,信天翁為長(zhǎng)時(shí)間遨翔,翅膀展弦比高,隼為掠食性動(dòng)物,為求高速、靈活,所以展弦比低。 滑翔機(jī)沒有動(dòng)力,采取高展弦比以降低阻力是唯一的方法,展弦比高的機(jī)翼一般翼弦都比較窄,

21、雷諾數(shù)小,所以要仔細(xì)選擇翼型,避免過早失速,另外高展弦比代表滾轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,所以也不要指望做出滾轉(zhuǎn)的特技了。飛慣特技機(jī)的人看到遙控滑翔機(jī)時(shí)常常好奇,為什么主翼面積那么大,偏偏機(jī)身短而且尾翼面積相對(duì)很小,會(huì)很擔(dān)心升降操作會(huì)有問題,其實(shí)這是展弦比的另外一個(gè)特性,就是高展弦比時(shí),攻角增加時(shí)升力系數(shù)增加會(huì)比低展弦比的機(jī)翼快如圖3-17,低展弦比機(jī)翼升力系數(shù)在攻角更大時(shí)才到達(dá)最大值,所以高展弦比的滑翔機(jī)并不須要大尾翼就可以操縱升降。 第六節(jié)翼端處理一個(gè)機(jī)翼不可能無限長(zhǎng),一定有端點(diǎn),我們現(xiàn)在知道翼端是很多問題的根源,翼前緣有點(diǎn)后掠的飛機(jī),因幾何形狀的關(guān)系,翼前緣的氣流不但往后走而且往外流如圖3-18,使

22、翼端氣流更復(fù)雜,于是有各式各樣的方法來減少誘導(dǎo)阻力,常見的有: 1整形1:把翼端整成圓弧狀,盡點(diǎn)人事,模型飛機(jī)最常見的方式如圖3-19。 2整形2:把下翼面往上整形,希望渦流盡量離開翼端,特技機(jī)magic及一次大戰(zhàn)像真機(jī)常用如圖3-20。 3整形3:把翼端裝上油箱或電子戰(zhàn)裝備,順便隔離氣流,不讓它往上翻,希望一舉兩得,如T-33如圖3-21。 4小翼:目前最流行的作法,大部分小翼是往上伸,但也有些是往下伸的,實(shí)機(jī)的小翼很明顯,飛行時(shí)看的非常清楚如圖3-22,波音747-400的小翼相信很多搭乘過的人都注意到,小翼的作用除了隔離翼端上下的空氣外減少誘導(dǎo)阻力外,因安裝的角度關(guān)系還多少可提供一些向前

23、的分力節(jié)省一點(diǎn)馬力。 老鷹的翼端是分叉形的,你可以從影片中看到滑翔中的老鷹,翼端的羽毛幾乎沒有擾動(dòng),可見效率非常高,NACA也有發(fā)展類似的翼端。第七節(jié)翼型的選擇及常用翼型機(jī)翼是飛機(jī)產(chǎn)生升力的部分,當(dāng)然不能隨興所至亂畫一通,既然前輩們發(fā)展的翼型都經(jīng)過風(fēng)洞或?qū)崣C(jī)的測(cè)試,我們就不客氣來撿現(xiàn)成,市面上現(xiàn)在可以買到惟一的一本有翼型數(shù)據(jù)的書是長(zhǎng)谷川克所著”翼型”電波實(shí)驗(yàn)社出版,上面有三百多種翼型的幾何坐標(biāo),但其中只有易卜拉翼型有升阻系數(shù)等數(shù)據(jù),其它只有幾何坐標(biāo)聊備一格,所以除自由飛模型外用處不大,此外中國(guó)大陸的雜志里有時(shí)候會(huì)發(fā)表新翼形,但他們偏重自由飛模型,完全沒有任何實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),而且很難制作,遙控的好像沒

24、看過。國(guó)外尤其是德國(guó)有關(guān)模型飛機(jī)的數(shù)據(jù)就比較多,很可惜國(guó)人一般德文都是鴉鴉烏,這里介紹一本英文書Martin Simons著”model aircraft aerodynamics”Argus Books,在亞馬遜網(wǎng)絡(luò)書局可以買的到,號(hào)稱美國(guó)模型界的”圣經(jīng)”,另外網(wǎng)絡(luò)上的資源有:美國(guó)太空總署www.iag.uni-.de德國(guó)stuttgart大學(xué)美國(guó)Embry-Riddle Aeronautical U美國(guó)University of Illinois at Urbana-Champaign選

25、擇翼型要先決定飛機(jī)用途、大小、重量、速度,再依翼面負(fù)載、雷諾數(shù)決定后再選擇合適的翼型,翼型的數(shù)據(jù)包括形狀的幾何坐標(biāo),以及在某個(gè)展弦比及各種雷諾數(shù)下之升力、阻力系數(shù),一般都以極線圖顯示,縱坐標(biāo)大都是升力系數(shù),橫坐標(biāo)是阻力系數(shù)如圖3-23左邊,有些比較舊式的數(shù)據(jù)縱坐標(biāo)是升力系或阻力系數(shù),橫坐標(biāo)則是攻角如圖3-24,近代計(jì)算機(jī)翼型數(shù)據(jù)縱坐標(biāo)是氣流速度或是壓力,橫坐標(biāo)則是翼弦位置,但都可以從圖表中換算出升力、阻力多少,也可以查出機(jī)翼攻角幾度時(shí)升力系數(shù)迅速惡化發(fā)生失速,當(dāng)知道飛機(jī)的升力與阻力系數(shù)后,這時(shí)就滑空比就決定了,依升力系數(shù)及翼面積總升力可以算出,再依阻力系加上機(jī)身、尾翼所有阻力系數(shù)可以算出總阻力

26、,所需的阻力與我們?cè)燃僭O(shè)的引擎馬力是否相符,因過程都是計(jì)算在此省略,有興趣的讀者可參看朱寶流著”模型飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)”永利模型飛機(jī)公司出版,里面有詳細(xì)解釋選擇翼型的方法,這本書講的是自由飛模型,而且數(shù)據(jù)很舊,但原則是一樣的。 選擇翼型的過程是一種試誤法,需要經(jīng)驗(yàn)與耐心,現(xiàn)在實(shí)機(jī)方面設(shè)計(jì)翼型當(dāng)然早已采用計(jì)算機(jī)計(jì)算,模型飛機(jī)也漸漸采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方式,你可以直接輸入所要的翼型,甚至自己設(shè)計(jì)一個(gè)新翼型,輸入中弧線最大弧高、位置,及最大厚度等數(shù)據(jù),再告訴計(jì)算機(jī)展弦比、機(jī)翼攻角及飛行速度,計(jì)算機(jī)也懶得告訴你升力、阻力系數(shù),而直接告訴你升力多少牛頓,阻力多少牛頓,失速角多少度也一并告訴你,還配合3D動(dòng)畫,

27、國(guó)外有好幾套這種軟件出售,有一家公司網(wǎng)站(你可以上網(wǎng)購買,但我建議讀者如想真正了解翼型選擇,還是要從基礎(chǔ)學(xué)起,免得知其然而不之其所以然,美國(guó)太空總署有一套翼型仿真器如圖3-25,有興趣的讀者可自行下載,網(wǎng)址:/Other_Groups/K-12/FoilSim/index.html 對(duì)一般讀者而言有一方便法門,我們可以參考別人的設(shè)計(jì),一架飛機(jī)已經(jīng)證明飛得很好,如果我們的飛機(jī)條件相似,就可以采用那種翼型,美國(guó)的套件一般多會(huì)把翼型標(biāo)在設(shè)計(jì)圖上,除此之外還是有一些規(guī)則可循:1薄的翼型阻力小,但不適合高攻角飛行,適合高速機(jī)。2厚的翼型阻力大,但不易失速。3

28、練習(xí)機(jī)用克拉克Y翼或半對(duì)稱翼,因浮力大。4特技機(jī)用全對(duì)稱翼,因正飛或倒飛差異不大。5斜坡滑翔機(jī)用薄一點(diǎn)翼型以增大滑空比。63D特技機(jī)用前緣特別大的翼型以便高攻角飛行。再次強(qiáng)調(diào)參考別人設(shè)計(jì)時(shí)要注意雷諾數(shù)相似,雷諾數(shù)差異大時(shí)一點(diǎn)意義都沒有,把別人大飛機(jī)的翼型用在你的小飛機(jī)上絕對(duì)不行。以下是一些常用翼型:1特技機(jī):NACA0010、00122練習(xí)機(jī):NACA2410、2412、CLARK Y83斜坡滑翔機(jī):RG14、RG15、Eppler385F4小滑翔機(jī)及牽引滑翔機(jī):Eppler385、Eppler374、Selig3021第八節(jié)翼型畫法翼型決定后接下來要把形狀謄到紙上以便制作翼肋片,翼型的數(shù)據(jù)來

29、的時(shí)候是一組坐標(biāo)數(shù)字,通常是(0,0到(100,0或是(0,0到(1,0,以前是找一張方格紙一個(gè)一個(gè)把坐標(biāo)點(diǎn)乘上長(zhǎng)度系數(shù)因?yàn)槟愕囊硐也粫?huì)剛好10公分吧然后點(diǎn)上去,典型的翼型數(shù)據(jù)大約有40組坐標(biāo)如圖3-26,矩形翼還好只要做一次,一架30級(jí)的特技機(jī)的錐形翼翼弦大約有十種尺寸,你慢慢畫吧,我看過有人畫了一組后用復(fù)印機(jī)放大,結(jié)果當(dāng)然不準(zhǔn),現(xiàn)在我們幸福多了,用計(jì)算機(jī)來處理又快又精確,長(zhǎng)谷川克的書上有一個(gè)basic 的小程序,但使用不容易畫出來的效果也不好,北投張永岳先生十幾年前也發(fā)表過一個(gè)程序,現(xiàn)在我們以AutoCAD來處理翼型,非常方便效果也最好,簡(jiǎn)介如下: A前置作業(yè):1開新圖檔(open a n

30、ew drawing選擇公制(metric。2選擇復(fù)合線(ployline。3把坐標(biāo)一個(gè)一個(gè)輸入。4輸入完成后作成區(qū)塊(block。5插入點(diǎn)選擇(0,0。6完畢。7把所有常用的翼型通通作成區(qū)塊備用。B實(shí)際使用:1先計(jì)算或畫出所有需要的翼弦長(zhǎng)(這里取25公分為例。2開新圖檔(open a new drawing選擇公制(metric。3插入所要翼型的區(qū)塊(insert block。4X比例取2.5,Y比例亦為2.5。5旋轉(zhuǎn)角0度。6爆炸后作圓滑曲線FIT7于是銀幕出現(xiàn)一個(gè)漂亮翼弦長(zhǎng)250單位的翼型。8打印時(shí)設(shè)定1單位=1mm。9于是一個(gè)漂亮翼弦長(zhǎng)25公分的翼型出來了。實(shí)際上作業(yè)時(shí)包括錐形翼所有翼

31、弦長(zhǎng)計(jì)算通通在AutoCAD上處理,翼型畫好后還要扣除蓋板2mm、前、后緣材厚度、大梁,這也同時(shí)處理,最后結(jié)果才是你實(shí)際翼肋片的形狀如圖3-27,再把所有翼肋片擺在模擬市售巴沙木寬度上8公分如圖3-28,便于切割及節(jié)省材料,全部所花費(fèi)時(shí)間不會(huì)超過2小時(shí),到時(shí)印出來后把紙用口紅膠貼在巴沙木上直接切割如圖3-29,再把紙撕掉。32W45W6W C2 第四章翼平面第一節(jié)翼平面介紹翼平面即是主翼平面投影的形狀,當(dāng)我們已假定飛機(jī)重量、翼面負(fù)載后,主翼面積即可算出,展弦比亦已大致決定,這時(shí)就要確定主翼平面形狀,考慮的因素有1失速的特性、2應(yīng)力分布、3制作難易度、4美觀,模型飛機(jī)的速度離音速還差一大截,不須

32、考慮空氣壓縮性,也沒有前后座視野的問題,所以后掠翼不需考慮,當(dāng)然為美觀或像真機(jī)除外,常見的平面形狀及特性如下:1矩形翼:如圖4-1從左至右翼弦都一樣寬,練習(xí)機(jī)常用的形狀,因?yàn)橹谱骱?jiǎn)單,失速的特性是從中間開始失速,失速后容易補(bǔ)救。 2和緩的錐形翼:如圖4-2從翼根往翼端漸縮,制作難易度中等,合理的翼面應(yīng)力分布,緩和的翼端失速,特技機(jī)最常見的意形式。 3尖銳的錐形翼:如圖4-3同樣從翼往翼端漸縮,但翼端極窄,惡劣的的翼端失速。 4橢圓翼:如圖4-4制作難度高,最有效率的翼面應(yīng)力分布,翼端至翼根同時(shí)失速,這也是天上最優(yōu)美的翼面形式。 機(jī)翼先失速的位置跟局部升力系數(shù)與平均升力系數(shù)的比值有關(guān),比值大的地

33、方先失速,另因升力分布于所有翼面,機(jī)翼的剪應(yīng)力及彎矩應(yīng)力會(huì)從翼端往翼根處累積,所以飛機(jī)結(jié)構(gòu)失敗在空中折翼都在靠機(jī)身處,矩形翼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分不就很不經(jīng)濟(jì),靠翼端處結(jié)構(gòu)過強(qiáng),增加無謂的重量,錐形翼、橢圓翼就比較經(jīng)濟(jì),此外從圖面也可看出矩形翼的誘導(dǎo)阻力比較大,即使翼端的面積大效率也不好。尖銳的錐形翼翼端極窄,雷諾數(shù)小,且因?yàn)橐硐叶?同樣精度下制作時(shí)攻角誤差大,翼端很容易失速,翼端失速后就從先失速的一端先往下掉,而且不見得救得回來,所以做Ju87像真機(jī)那類飛機(jī)要特別注意。主翼平面形狀不需要一成不變的為錐形翼或橢圓翼,可以依需求、制作難易度及美觀采取各種組合。第二節(jié)壓力中心在考慮飛機(jī)的縱向平衡時(shí),我們有需要

34、知道所有升力的合力點(diǎn)以便定出日后飛機(jī)重心位置,這合力點(diǎn)一般稱壓力中心,機(jī)翼橫剖面的升力并不是平均分布,從翼剖面氣流速度圖上你可以看出翼上緣前端空氣流速最快如圖4-5, 該處靜壓力最小升力最大,所以總升力中心有點(diǎn)偏前,機(jī)翼產(chǎn)生升力同時(shí)亦產(chǎn)生一彎矩,機(jī)翼當(dāng)攻角改變時(shí)壓力中心亦改變,一般來說攻角增加時(shí)壓力中心向前移,攻角減小時(shí)壓力中心向后移,使壓力中心的計(jì)算更加復(fù)雜,在設(shè)計(jì)時(shí)并不直接求出壓力中心位置,而是采用焦點(diǎn)及焦點(diǎn)彎矩的方式,所謂焦點(diǎn)是研究發(fā)現(xiàn)不管機(jī)翼攻角改變,當(dāng)速度固定時(shí)升力對(duì)于機(jī)翼前緣算來1/4距離的位置產(chǎn)生的彎矩是固定的,所以實(shí)際升力對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生的作用可以以作用在焦點(diǎn)的力及一個(gè)彎矩來替代如圖

35、4-6, 有時(shí)后也直接把這一點(diǎn)當(dāng)作壓力中心,此一焦點(diǎn)其實(shí)有一點(diǎn)點(diǎn)變動(dòng)但不大,翼型資料里也有一個(gè)焦點(diǎn)彎矩系數(shù),但跟升力、阻力系數(shù)不一樣的是焦點(diǎn)彎矩系數(shù)是一定值不隨攻角改變,中弧線越彎則彎矩系數(shù)越大,即使這樣簡(jiǎn)化后對(duì)一般讀者仍稍嫌困難,我們?cè)儆枰院?jiǎn)化,考慮升力及彎矩的共同作用后,大約以上弧線最高點(diǎn)為合力位置,一般翼型約在前緣算來1/3的位置,這樣就不需要再考慮彎矩的作用了,這種精確度對(duì)普通模型飛機(jī)已夠使用,進(jìn)一步討論請(qǐng)參考第八章,此外還有一點(diǎn)要注意的就是圖4-6的力是朝正上方,實(shí)際上氣流對(duì)機(jī)翼的作用力是如如圖4-7, 有點(diǎn)往后傾,把力分為向上的升力及向后的阻力,很明顯可以看出攻角越大,阻力也越大,

36、因?yàn)樽枇χ林匦牡木嚯x很短,所以分析平衡時(shí)阻力產(chǎn)生的力矩我們都予以省略。對(duì)矩形翼飛機(jī)而言,壓力中心至此告一段落,但錐形翼或后掠翼我們還需計(jì)算升力平均翼弦位置才能定出壓力中心,我們采用圖解法以便求出壓力中心如圖4-8: 第三節(jié)外洗角飛機(jī)失速時(shí)我們希望從翼根開始失速,失速后機(jī)頭往下掉,于是迅速獲得速度恢復(fù)操控,盡量避免翼端失速,翼端失速時(shí)先失速的一邊機(jī)翼往下掉,飛機(jī)發(fā)生螺旋下墜,有可能無法恢復(fù),但我們已知失速與攻角有關(guān),我們可以設(shè)法避免讓失速先發(fā)生于翼端,就是在設(shè)計(jì)時(shí)讓翼端跟翼端攻角不一樣,翼端的攻角少個(gè)一、兩度,就可以延后翼端失速,這個(gè)角度叫外洗角,代價(jià)是翼端升力系數(shù)減小,但翼端的誘導(dǎo)阻力也稍微減

37、少,這在實(shí)機(jī)上尤其是螺旋槳飛機(jī)是很常見的作法,遙控動(dòng)力飛機(jī)是否要外洗角見仁見智,但一般高級(jí)滑翔機(jī)、牽引機(jī)及手?jǐn)S機(jī)幾乎都有外洗,無尾翼飛機(jī)翼端一般外洗到負(fù)攻角,以便提供配平力。以上的外洗角稱為幾何外洗,另外有一種外洗稱為氣動(dòng)外洗,就是機(jī)翼翼根至翼端的攻角都不變,但翼端、翼根分別使用不同的翼型,翼端使用較不容易失速的翼型,如此一來也可保證翼根先失速。跟一般想象的不一樣,實(shí)際使用上翼端反而不使用比較不容易失速的對(duì)稱翼,而是利用零升攻角至失速角范圍較大的內(nèi)凹翼型,再配合幾何外洗,這樣翼端升力不會(huì)損失太多而又達(dá)到外洗的目的。第四節(jié)上反角上反角就是當(dāng)機(jī)翼擺正時(shí)翼前緣與水平線的夾角,大部分飛機(jī)都有上反角,常

38、見的形式如,一級(jí)上反角如圖4-9制作簡(jiǎn)單,效果也很好,二級(jí)上反角如圖4-10內(nèi)外機(jī)翼上反角度不同,外翼上反角較大,修正效果最好,U形上反角如圖4-11是內(nèi)翼沒有上反,只有外翼有上反,機(jī)翼中間應(yīng)力集中處沒有接點(diǎn),結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng),手?jǐn)S機(jī)常用,反海鷗翼如圖4-12內(nèi)翼是下反外翼上反,優(yōu)點(diǎn)是輪架裝在內(nèi)外翼交接處,因離地面近可以做的又粗又短圖4-13,上反角的作用如下: 1維持滾轉(zhuǎn)方向平衡:當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)突然受到側(cè)向力如一陣風(fēng),這時(shí)飛機(jī)會(huì)傾向另一邊,這時(shí)上反角就要負(fù)責(zé)修正回來,大部分的人認(rèn)為這是當(dāng)機(jī)翼傾向一邊時(shí),水平投影面積一邊增加另一邊減少,產(chǎn)生一個(gè)回復(fù)力矩如圖4-14,其實(shí)這是不適當(dāng)?shù)恼f法,回復(fù)力矩是有,但

39、非常小,上圖是為了強(qiáng)調(diào)回復(fù)力矩,上反角增加為16度,實(shí)際上反角不可能那么大,我們拿上反角3度來說,投影面積最多改變1%,實(shí)在于事無補(bǔ),實(shí)際的作用是,假設(shè)碰到右陣風(fēng)飛機(jī)往左傾,左邊機(jī)翼往下掉,于是左邊機(jī)翼的相對(duì)氣流除了一般從前緣往后緣流的向量以外,還碰到一個(gè)從下往上的向量如圖4-15,結(jié)果就是相當(dāng)于左邊機(jī)翼攻角增大升力增大,右邊剛好相反升力減小,于是產(chǎn)生修正力矩,使飛機(jī)擺正。 2轉(zhuǎn)向:很多小型遙控飛機(jī)沒有副翼,只有方向舵,但轉(zhuǎn)彎時(shí)一樣側(cè)傾后轉(zhuǎn)向,這是因?yàn)樯戏唇堑年P(guān)系,當(dāng)想控制飛機(jī)左轉(zhuǎn)而把方向舵往左打,因方向舵產(chǎn)生一個(gè)向右的力,機(jī)頭于是朝左偏,但還是往前飛,這叫偏航如圖4-16,因右翼上反的關(guān)系相對(duì)氣流相當(dāng)于右邊機(jī)翼攻角增大,于是升力增大,左翼剛好相反升力減小,于是飛機(jī)向左側(cè)滾轉(zhuǎn),配合升舵完成左轉(zhuǎn),我曾作過一架上反角0度的特技機(jī),打方向舵后機(jī)頭歪向一邊就是不轉(zhuǎn)彎,剛好映證以上理論。 3提高壓力中心:機(jī)翼上反后,壓力中心也提高,有助于穩(wěn)定性,所以雖然練習(xí)機(jī)須要高穩(wěn)定性,但有些實(shí)機(jī)的練習(xí)機(jī)仍采低翼配置,請(qǐng)您注意這類飛機(jī)上反角都比較大,主