飛機(jī)升力和阻力的產(chǎn)生

飛機(jī)在空氣中運(yùn)動(dòng)或者空氣流過(guò)飛機(jī)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生作用于飛機(jī)的空氣動(dòng)力，飛機(jī)各部分所受到的空氣動(dòng)力的總和，叫總空氣動(dòng)力，通常用R表示。一般情況，這個(gè)力是向上并向后傾斜的，根據(jù)它所起的作用，可將它分解為垂直于相對(duì)氣流方向和平等于相對(duì)氣流方向的兩個(gè)分力。垂直方向的力叫升力，用Y表示。升力通常是起支托飛機(jī)的作用。平等方向阻礙飛機(jī)前進(jìn)的力叫陰力，用X表示。飛機(jī)的升力絕大部份是機(jī)翼產(chǎn)生的，尾翼通常產(chǎn)生負(fù)升力，飛機(jī)其它部份產(chǎn)生的升力很小，-般都不考慮。至于飛機(jī)的阻力，只要是暴露在相對(duì)氣流中的任何部件，都是要產(chǎn)生的。一、升力的產(chǎn)生從流線譜可以看出：空氣流到機(jī)翼前緣，分成上、下兩股，分別沿機(jī)翼上、下表面流過(guò)，而在機(jī)翼后緣重新匯合向后流去。在機(jī)翼上表面，由于比較凸出，流管變細(xì)，說(shuō)明流速加快，壓力降低。在機(jī)翼下表面，氣流受到阻擋作用，流管變粗，流速減慢，壓力增大。于是，機(jī)翼上、下表面出現(xiàn)了壓力差，垂直于相對(duì)氣流方向的壓力差的總和，就是機(jī)翼的升力。機(jī)翼升力的著力點(diǎn)，即升力作用線和翼弦的交點(diǎn)，叫壓力中心。機(jī)翼各部位升力的大小是不同的，要想了解機(jī)翼各個(gè)部位升力的大小，就需知道機(jī)翼表面壓力分布的情形。機(jī)翼表面壓力的頒可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。凡是比大氣壓力低的叫吸力（負(fù)壓力），凡是比大氣壓力高的叫壓力（正壓力）。機(jī)翼表面各點(diǎn)的吸力和正壓力都可用向量表示。向量的長(zhǎng)短表示吸力或正壓力的大小。向量的方向同機(jī)翼表面垂直，箭頭方向朝外，表示吸力；箭頭指向機(jī)翼表面，表示正壓力。將各個(gè)向量的外端用平滑的曲線連接起來(lái)。壓力最低（即吸力最大）的一點(diǎn)，叫最低壓力點(diǎn)。在前緣附近，流速為零，壓力最高的一點(diǎn)，叫駐點(diǎn)。機(jī)翼壓力分布并不是一成不變的。如果機(jī)翼在相對(duì)氣流中的關(guān)系位置改變了，流線譜就會(huì)改變，機(jī)翼的壓力分布也就隨之而變。機(jī)翼升力的產(chǎn)生主要是靠上表面吸力的作用，而不是主要靠下表面的壓力高于大氣壓的情況下，由上表面吸力所形成的升力，一般占總升力的60%到80%左右，而下表面的正壓力所形成的升力只不過(guò)占總升力的20%到40%左右。如果下表面的壓力低于大氣壓力產(chǎn)生向下的吸力，則機(jī)翼總升力就等于上表面吸力減去下表面的吸力。在此情況下，機(jī)翼升力就完全由上表面吸力所形成。二阻力的產(chǎn)生阻力是與飛機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反的空氣動(dòng)力，起著阻礙飛機(jī)前進(jìn)的作用，按其產(chǎn)生的原因可分為摩擦，產(chǎn)生一個(gè)阻止飛機(jī)前進(jìn)的力。這個(gè)力就是摩擦阻力。（一）摩擦阻力摩擦阻力是在"附面層"（或叫邊界層）內(nèi)產(chǎn)生的。所謂附面層，就是指，空氣流過(guò)飛機(jī)時(shí)，貼近飛機(jī)表面、氣流速度由層外主流速度逐漸降低為零的那一層空氣流動(dòng)層。附面層是怎樣形成的呢？原來(lái)是，當(dāng)有粘性的空氣流過(guò)飛機(jī)時(shí)，緊貼飛機(jī)表面的一層空氣，與飛機(jī)表面發(fā)生粘性摩擦，這一層空氣完全粘附在飛機(jī)表面上，氣流速度降低為零。緊靠這靜止空氣層的外面第二氣流層，因受這靜止空氣層粘性摩擦的作用，氣流速度也要降低，但這種作用要弱些，因此氣流速度不會(huì)降低為零。再往外，第三氣流層又要受第二氣流層粘性摩擦的作用，氣流速度也要降低，但這種作用更弱些，因此氣流速度降低就更少些。這樣，沿垂直于飛機(jī)表面的方向，從飛機(jī)表面向外，由于粘性摩擦作用的減弱，氣流速度就一層一層的逐漸增大，到附面層邊界，就和主流速度相等了。這層氣流速度由零逐漸增大到主流速度的空氣層，就是附面層。附面層內(nèi)，氣流速度之所以越貼近飛機(jī)表面越慢，這必然是由于這些流動(dòng)空氣受到了飛機(jī)表面給它的向前的作用這些被減慢的空氣，也必然要給飛機(jī)表面一個(gè)向后的反作用力，這就是飛機(jī)表面的摩擦阻力。附面層按其性質(zhì)不同，可分為層流附面層和紊流附面層。就機(jī)翼而言，一般在最大厚度以前，附面層的氣流各層不相混雜而分層的流動(dòng)。這部份叫層流附面層。在這之后，氣流流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡s亂無(wú)章，并且出現(xiàn)了旋渦和橫向運(yùn)動(dòng)。這部份叫率流附面層。層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯哪且稽c(diǎn)叫轉(zhuǎn)捩點(diǎn)。附面層內(nèi)的摩擦阻力與附面層的性質(zhì)有很大關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，紊流附面層的摩擦阻力要比層流附面層的摩擦阻力大得多。因此，盡可能在機(jī)翼上保持層流附面層，對(duì)于減小阻力是有利的。所謂層流翼型，就是這樣設(shè)計(jì)的?？偟恼f(shuō)來(lái)，摩擦阻力的大小，決定于空氣的粘性，飛機(jī)的表面狀況，以及同空氣相接觸的飛機(jī)的表面積?？諝庹承栽酱?，飛機(jī)表面越粗糙，飛機(jī)表面積越大，摩擦阻力就越大。（二）壓差阻力人在逆風(fēng)中行走，會(huì)感到阻力的作用，這就是一種壓差阻力?？諝饬鬟^(guò)機(jī)翼時(shí)，在機(jī)翼前緣部分，受機(jī)翼阻擋，流速減慢，壓力增大；在機(jī)翼后緣，由于氣流分離形成渦流區(qū)，壓力減小。這樣，機(jī)翼前后便產(chǎn)生壓力差，形成阻力。這種由前后壓力差形成的阻力叫壓差阻力。機(jī)身、尾翼等飛機(jī)的其它部件都會(huì)產(chǎn)生壓差阻力。為什么在機(jī)翼后緣會(huì)出現(xiàn)氣流分離呢？其根本原因是空氣有粘性，空氣流過(guò)機(jī)翼的過(guò)程中，在機(jī)翼表面產(chǎn)生了附面層。附面層中氣流速度不僅要受到粘性摩擦的阻滯作用，而且還要受到附面層外主流中壓力的影響。附面層中，沿垂直于機(jī)翼表面方向的壓力變化很小，可認(rèn)為是相等的，且等于層外主流的壓力。在最低壓力點(diǎn)之前，附面層外主流是從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，沿途壓力逐漸降低，即形成順壓，氣流速度是不斷增大的。附面層內(nèi)的氣流雖受粘性摩擦的阻滯作用，使之沿途不斷減速，但在順氣壓的推動(dòng)下，其結(jié)果氣流仍能加速向后流去，但在順氣壓的推動(dòng)下，其結(jié)果氣流仍能加速向后流去，但速度增加不多。在最低壓力點(diǎn)（E）之后情況就不一樣了。主流是從低壓區(qū)流向高壓區(qū)，沿途壓力越來(lái)越大，即形成反壓，主流速度是不斷減小的。附面層內(nèi)的氣流除了要克服粘性摩擦的陰滯作用外，還要克服反壓的作用，因此氣流速度迅速減小，到達(dá)某一位置，附面層底層空氣就會(huì)完全停止下來(lái)，速度降低為零，空氣再不能向后流動(dòng)。在S點(diǎn)之后，附面層底層空氣在反壓作用下開(kāi)始向前倒流。于是附面層中逆流而上的空氣與順流而下的空氣相頂碰，就使附面層氣流脫離機(jī)翼表面，而卷進(jìn)主流。這時(shí)，就形成大量逆流和旋渦而形成氣流分離現(xiàn)象。這些旋渦一方面在相對(duì)氣流中吹離機(jī)翼，一方面又連續(xù)不斷地在機(jī)翼表面產(chǎn)生，如此周而復(fù)始地變化著，這樣就在分離點(diǎn)之后形成了渦流區(qū)。附面層發(fā)生分離之點(diǎn)（S點(diǎn)），叫做分離點(diǎn)。這種旋渦運(yùn)動(dòng)的周期性，是引起飛機(jī)機(jī)翼、尾翼和其它部分生產(chǎn)振動(dòng)的重要原因之一。為什么機(jī)翼后緣渦流區(qū)中壓力會(huì)有所減小呢？道德我們要明確，這里指的渦流區(qū)壓力的大小，是和機(jī)翼前部的氣流相比而言的。如果空氣流過(guò)機(jī)翼上下表面不產(chǎn)生氣流分離，則在機(jī)翼后部，上下表面氣流重新匯合，流速和壓力都會(huì)恢復(fù)到與機(jī)翼前部相等。這樣，機(jī)翼前、后不會(huì)出現(xiàn)壓力差而形成壓差阻力。然而事實(shí)不是這樣，當(dāng)空氣流到機(jī)翼后部會(huì)產(chǎn)生氣流分離而形成渦流區(qū)。渦流區(qū)中，由于產(chǎn)生了旋渦，空氣迅速轉(zhuǎn)動(dòng)，一部分動(dòng)能因摩擦而損耗，即使流速可以恢復(fù)到與機(jī)翼前部的流速相等，而壓力卻恢復(fù)不到原來(lái)的大小，比機(jī)翼前部的壓力要小。例如汽車(chē)開(kāi)過(guò)，在車(chē)身后的灰塵之所以被吸起，就是由于車(chē)身后面渦流區(qū)內(nèi)的空氣壓力小的緣故。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，渦流區(qū)的壓力與分離點(diǎn)處氣流的壓力，其大小相差不多。這就是說(shuō)：分離點(diǎn)靠機(jī)翼后緣，渦流區(qū)的壓力比較大；分離點(diǎn)離開(kāi)機(jī)翼后緣越遠(yuǎn)，渦流區(qū)的壓力就越小?？梢?jiàn)，分離點(diǎn)在機(jī)翼表面的前后位置，可以表明壓差阻力的大小?？偟恼f(shuō)來(lái)，壓差阻力與物體的迎風(fēng)面積、形狀和物體在氣流中的相對(duì)位置有很大關(guān)系。迎風(fēng)面積越大，壓差阻力越大。象水滴那樣的，前端園鈍，后面尖細(xì)的流線形物體，壓差阻力最小。物體相對(duì)于氣流的角度越大，壓差阻力越大。由上面的分析可知，摩擦阻力和壓差阻力都是由于空氣的粘性面引起產(chǎn)生的阻力，如果空氣沒(méi)粘性，那么上面兩種阻力都將不會(huì)存在。（三）誘導(dǎo)阻力機(jī)翼上除了產(chǎn)生摩擦阻力和壓差阻力以外，由于升力的產(chǎn)生，還要產(chǎn)生一種附加的阻力。這種由于產(chǎn)生升力而誘導(dǎo)出來(lái)的附加阻力稱(chēng)為誘導(dǎo)阻力。可以說(shuō)，誘導(dǎo)阻力是為產(chǎn)生升力而付出的一種"代價(jià)"。誘導(dǎo)阻力是怎樣產(chǎn)生的呢？當(dāng)機(jī)翼產(chǎn)生升力時(shí)，機(jī)翼下表面的壓力比上表面的大，而機(jī)翼翼展長(zhǎng)度又驟有限的，所以下翼面的高壓氣流會(huì)繞過(guò)兩端翼尖，力圖向上翼面的低壓區(qū)流去。當(dāng)氣流繞過(guò)翼尖時(shí)，在翼尖部份形成旋渦，這種旋渦的不斷產(chǎn)生而又不斷地向后流去即形成了所謂翼尖渦流。翼尖渦流使流過(guò)機(jī)翼的空氣產(chǎn)生下洗速度，而向下傾斜形成下洗流。氣流方向向下傾斜的角度，叫下洗角。由翼尖渦流產(chǎn)生的下洗速度，在兩翼尖處最大，向中心逐漸減少，在中心處最小。這是因?yàn)榭諝庥姓承?，翼尖旋渦會(huì)帶動(dòng)它周?chē)目諝庖黄鹦D(zhuǎn)，越靠?jī)?nèi)圈，旋轉(zhuǎn)越快，越靠外圈，旋轉(zhuǎn)越慢。因此離翼尖越遠(yuǎn)，氣流下洗速度越小。在是常生活中，也可觀察到翼尖渦流的現(xiàn)象。例如大雁南飛，常排成人字或斜一字形，領(lǐng)隊(duì)的大雁排在中間，而幼弱的小雁常排在外側(cè)。這樣使得后雁處于前雁翅梢處所產(chǎn)生的翼尖渦流之中。翼尖渦流中氣流的放置是有規(guī)律的，靠翼尖內(nèi)側(cè)面，氣流向下，靠翼尖外側(cè)，氣流是向上的即上升氣流。這樣后雁就處在前雁翼尖渦流的上升氣流之中，有利于長(zhǎng)途飛行。從實(shí)驗(yàn)也可看出翼尖渦流的存在。當(dāng)機(jī)翼產(chǎn)生正升力時(shí)，由于機(jī)翼下表面的壓力比上表面的大，故空氣從下翼面繞過(guò)翼尖翻到上翼面去世。因而處在兩翼尖處的兩個(gè)葉輪都放置起來(lái)，在左翼尖的向右放置（從機(jī)尾向機(jī)頭看），在右翼尖的向左放置。升力增大，上下翼表面壓力差增大，葉輪放置得更快。升力為零，上下翼面無(wú)壓力差，葉輪不轉(zhuǎn)動(dòng)。若機(jī)翼產(chǎn)生負(fù)升力，則上民辦面的壓力比下翼面大，故兩葉輪就會(huì)反轉(zhuǎn)。飛行中，有時(shí)從飛機(jī)翼尖的凝結(jié)云也可看到翼尖渦流。因?yàn)橐砑鉁u流的范圍內(nèi)壓力很低，如果空氣中所含水蒸汽黑龍江省膨脹冷卻而凝結(jié)成水珠，便會(huì)看到由翼尖向后的兩道白霧狀的渦流索。升力是和相對(duì)氣流方向垂直的。既然流過(guò)機(jī)翼的空氣因受機(jī)翼的作用而向下華僑，則機(jī)翼的升力也應(yīng)隨之向后華僑。實(shí)際升力是和洗流方向垂直的。把實(shí)際升力分解成垂直于飛行速度方向和平等于飛行速度方向的兩個(gè)分力。垂直于飛行速度方向的分力，仍起著升力的作用，這就是我們經(jīng)常使用的升力。平等于飛行速度方向的分力，則起著阻礙飛機(jī)前進(jìn)的作用，成為一部份附加阻力。而這一部分附加阻力，是同升力的存在分不開(kāi)的，因此這一部分附加阻力稱(chēng)為誘導(dǎo)阻力。實(shí)踐表明，誘導(dǎo)阻力的大小與機(jī)翼的升力和展弦比有很大關(guān)系。升力越大，誘導(dǎo)阻力越大。展弦比越大，誘導(dǎo)阻力越小。㈣干擾阻力實(shí)踐表明，飛機(jī)的各個(gè)部件，如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等，單獨(dú)放在氣流中所產(chǎn)生的阻力的總和總是小于把它們組成一個(gè)整體時(shí)所產(chǎn)生的阻力。所謂干擾阻力，就是飛機(jī)各部分之間因氣流相互干擾而產(chǎn)生的一種額外的阻力?，F(xiàn)我們以機(jī)翼和機(jī)身為例，看干擾阻力是怎樣產(chǎn)生的。氣流流過(guò)機(jī)翼和機(jī)身的連接處，在機(jī)翼和機(jī)身結(jié)合的中部，由于機(jī)翼表面和機(jī)身表面都向外凸出，流管收縮，流速迅速加快，壓力很快降低。而在后部由于機(jī)翼表面和機(jī)身表面都向內(nèi)彎曲，流管擴(kuò)張，流速減慢，壓力很快增高。這種壓力的變化，就促使氣流的分離點(diǎn)前移，并使機(jī)身和機(jī)翼結(jié)合處后部渦流區(qū)擴(kuò)大，從而產(chǎn)生了一種額外的阻力。這一阻力是因氣流的干擾而