飞机升力和阻力

1、飞机的升力和阻力 总空气动力总空气动力 作用在飞机上的空气动力总和作用在飞机上的空气动力总和 压力中心压力中心 总空气动力作用线与飞机纵轴的交点总空气动力作用线与飞机纵轴的交点 升力升力 在飞机对称面内，总空气动力在垂直来流方向上的分量在飞机对称面内，总空气动力在垂直来流方向上的分量 阻力阻力 在飞机对称面内，总空气动力在平行来流方向上的分量在飞机对称面内，总空气动力在平行来流方向上的分量 库塔库塔 - - 茹科夫斯基升力定理茹科夫斯基升力定理 空气相对机翼流动时，空气与飞机表面之间存在粘滞阻力。空气相对机翼流动时，空气与飞机表面之间存在粘滞阻力。 贴近机翼上表面的贴近机翼上表面的气流速度较小

2、气流速度较小；贴近机翼下表面的；贴近机翼下表面的气流速度气流速度 较大较大，二者在机翼尾部汇合时产生涡流，二者在机翼尾部汇合时产生涡流起动涡流。起动涡流。 据角动量守恒定律，在涡流出现角动量的同时，必然同时出现据角动量守恒定律，在涡流出现角动量的同时，必然同时出现 另一个角动量，它与涡流所产生角动量的方向相反。另一个角动量，它与涡流所产生角动量的方向相反。 这个角动量由围绕机翼流动的这个角动量由围绕机翼流动的“环流环流”产生。产生。 环流速度与原来速度叠加，导致上方流速大，下方流速小。环流速度与原来速度叠加，导致上方流速大，下方流速小。 机翼的升力机翼的升力 伯努利定律：随着流体流速的增加，其

3、 压力减小。 在机翼上表面,流速快,压力降低，产生吸力。 在机翼下表面,流速慢,压力增大，产生正压力。 凡是比大气压力低的叫吸力(负压力)， 凡是比大气压力高的叫压力(正压力)。 机翼升力的产机翼升力的产 生主要是靠生主要是靠上表面上表面 吸力的作用吸力的作用，而不，而不 是主要靠下表面的是主要靠下表面的 压力高于大气压的压力高于大气压的 情况下，由情况下，由上表面上表面 吸力所形成的升吸力所形成的升 力力,一般占总升力一般占总升力 的的60%到到80%左左 右。右。 二、阻力 1、摩擦阻力 2、压差阻力 3、诱导阻力 4、形状阻力 5、波阻（高速飞机） （一）摩擦阻力形成 附面层，就是指，空

4、气流过飞机时，贴近飞机表面、气流速度由层 外主流速度逐渐降低为零的那一层空气流动层。 附面层内，气流速度之所以越贴近飞机表面越慢，是由于这些流动 空气受到了飞机表面给它的向前的作用，这些被减慢的空气，也必然要 给飞机表面一个向后的反作用力，这就是飞机表面的摩擦阻力。 一、摩擦阻力 1、附面层 2、附面层的分类： 附面层按其性质不同，可分为：层流附面层和紊流附面层。 就机翼而言，一般在最大厚度以前的部份叫层流附面层。在这之 后的部份是紊流附面层。 紊流附面层的摩擦阻力要比层流附面层的摩擦阻力大得多。因此紊流附面层的摩擦阻力要比层流附面层的摩擦阻力大得多。因此 ，尽可能在机翼上保持层流附面层尽可能

5、在机翼上保持层流附面层，对于减小阻力是有利的。对于减小阻力是有利的。层流翼层流翼 型型，就是这样设计的。就是这样设计的。 影响摩擦阻力的因素 摩擦阻力的大小取决于飞机浸润面积、飞机表面的 粗糙度及附面层的流动状态。 紊流附面层的摩擦阻力较大，在飞行速度较高的飞 机上多采用层流翼型。 使用推力矢量技术的飞机，发动机推力直接用于飞 行控制，飞机的尾翼可以减小或者去除，这样就可 以大大地减小摩擦阻力。 二、压差阻力二、压差阻力 空气流过机翼时空气流过机翼时，在机翼前缘部分在机翼前缘部分，受机翼阻挡受机翼阻挡，流速减慢流速减慢，压力压力 增大；在机翼后缘增大；在机翼后缘，由于由于气流分离气流分离形成涡

6、流区形成涡流区，压力减小压力减小。这样这样，机翼机翼 前后便产生压力差前后便产生压力差，形成阻力。机身、尾翼等飞机的其它部件都会产生形成阻力。机身、尾翼等飞机的其它部件都会产生 压差阻力。压差阻力。 （一）压差阻力产生的原因 物体在空气中运动时，在物体前后产生的压强差引起的阻力。 在最低压力点之前在最低压力点之前，附面层内的气流虽受粘性摩擦的阻滞作用附面层内的气流虽受粘性摩擦的阻滞作用，使之沿途不使之沿途不 断减速断减速，但在顺气压的推动下但在顺气压的推动下，其结果气流仍能加速向后流去。其结果气流仍能加速向后流去。 在最低压力点之后情况就不一样了。附面层内的气流除了要克服粘性摩擦的在最低压力点

7、之后情况就不一样了。附面层内的气流除了要克服粘性摩擦的 阴滞作用外阴滞作用外，还要克服反压的作用还要克服反压的作用，因此气流速度迅速减小因此气流速度迅速减小，到达某一位置到达某一位置，附附 面层底层空气就会完全停止下来面层底层空气就会完全停止下来，速度降低为零速度降低为零，空气再不能向后流动。空气再不能向后流动。 在在分离点分离点之后之后,附面层底层空气在反压作用下开始向前倒流。于是附面层中附面层底层空气在反压作用下开始向前倒流。于是附面层中 逆流而上的空气与顺流而下的空气相顶碰逆流而上的空气与顺流而下的空气相顶碰,就使附面层气流脱离机翼表面就使附面层气流脱离机翼表面，而卷而卷 进主流。这时进

8、主流。这时，就形成大量逆流和旋涡而形成气流分离现象。就形成大量逆流和旋涡而形成气流分离现象。 1、为什么机翼后缘会出现气流分离 如果空气流过机翼上下表面不产生气流分离如果空气流过机翼上下表面不产生气流分离，则在机翼后部则在机翼后部，上下表面上下表面 气流重新汇合气流重新汇合，流速和压力都会恢复到与机翼前部相等。这样流速和压力都会恢复到与机翼前部相等。这样,机翼前、后不机翼前、后不 会出现压力差而形成压差阻力。会出现压力差而形成压差阻力。 事实上事实上，当空气流到机翼后部会产生气流分离而形成涡流区。涡流区中当空气流到机翼后部会产生气流分离而形成涡流区。涡流区中， 由于产生了旋涡由于产生了旋涡,空

9、气迅速转动空气迅速转动,一部分动能因摩擦而损耗一部分动能因摩擦而损耗，即使流速可以恢即使流速可以恢 复到与机翼前部的流速相等复到与机翼前部的流速相等，而压力却恢复不到原来的大小而压力却恢复不到原来的大小，比机翼前部的比机翼前部的 压力要小。压力要小。 2、为什么机翼后缘涡流区中压力会有所减小？ 2、压差阻力与物体的压差阻力与物体的迎风面积、形状和物体在气流中的相对位置迎风面积、形状和物体在气流中的相对位置有很有很 大关系。大关系。迎风面积越大迎风面积越大,压差阻力越大压差阻力越大。象水滴那样的。象水滴那样的，前端园钝前端园钝，后后 面尖细的流线形物体面尖细的流线形物体,压差阻力最小。压差阻力最

10、小。物体相对于气流的角度越大物体相对于气流的角度越大，压压 差阻力越大差阻力越大。 （二）影响压差阻力的因素 1、 涡流区的压力与分离点处气流的压力涡流区的压力与分离点处气流的压力,其大小相差不多。这就是说其大小相差不多。这就是说：分分 离点靠机翼后缘离点靠机翼后缘，涡流区的压力比较大涡流区的压力比较大；分离点离开机翼后缘越远，涡流分离点离开机翼后缘越远，涡流 区的压力就越小。区的压力就越小。 3、机翼采用合适的安装角和飞机在飞行中 进行配平，其目的就是减小压差阻力提高经 济性。 三、诱导阻力 由于翼展的长度是有限的，所以上下翼面的压强差使得气流从 下翼面绕过两端翼尖，向上翼面流动，并在翼尖处

11、不断形成旋涡。 随着飞机向前方飞行，旋涡就从翼尖向后方流动，产生下 洗速，使相对气流产生下洗角。 （一）诱导阻力的产生 实际升力是和洗流方向垂直的。把实际升力分解成垂直于飞行速度方向实际升力是和洗流方向垂直的。把实际升力分解成垂直于飞行速度方向 和平等于飞行速度方向的两个分力。垂直于飞行速度方向的分力，仍起着升和平等于飞行速度方向的两个分力。垂直于飞行速度方向的分力，仍起着升 力的作用力的作用,这就是我们经常使用的升力。平行这就是我们经常使用的升力。平行于飞行速度方向的分力于飞行速度方向的分力，则起着则起着 阻碍飞机前进的作用阻碍飞机前进的作用,成为一部份附加阻力，这一部分附加阻力称为诱导阻力

12、。成为一部份附加阻力，这一部分附加阻力称为诱导阻力。 诱导阻力的大小与机翼的升力和展弦比有很大关系。诱导阻力的大小与机翼的升力和展弦比有很大关系。升力越大升力越大， 诱导阻力越大。展弦比越大诱导阻力越大。展弦比越大，诱导阻力越小。诱导阻力越小。 （二）影响诱导阻力的因素 为减小下洗的影响，可采取大的展弦比、椭圆形或梯形机翼及增 设翼尖小翼等措施。 飞机的干扰阻力又包括机翼机身之间的干扰阻力，尾翼机身之间飞机的干扰阻力又包括机翼机身之间的干扰阻力，尾翼机身之间 的干扰阻力以及机翼尾翼之间的干扰阻力等。的干扰阻力以及机翼尾翼之间的干扰阻力等。 飞机的各个部件，单独放在气流中所产生的阻力的总和并不等

13、于、 而是往往小于把它们组成一个整体时所产生的阻力。 干扰阻力是由于流经飞机各部分之间的气流相互干扰而产生的一 种额外阻力。 四、干扰阻力 （一）干扰阻力的产生 机翼机身干扰阻力的产生机翼机身干扰阻力的产生 当机翼和机身组合在一起时，机身的侧面和机翼翼面之间之间形成一当机翼和机身组合在一起时，机身的侧面和机翼翼面之间之间形成一 个横截面积先收缩后扩张的通道，低速气流流过扩张通道时，因逆压梯度个横截面积先收缩后扩张的通道，低速气流流过扩张通道时，因逆压梯度 的作用使附面层产生严重的分离，出现额外的粘性压差阻力。的作用使附面层产生严重的分离，出现额外的粘性压差阻力。 （二）减少干扰阻力的措施 确布

14、局飞机各部件之间的相对位置、在各部件连接处加装合适的“整流片”， 是减小干扰阻力的有效措施。 中单翼飞机的干扰阻力最小，下单翼最大，上单翼居中。 低速飞机各种阻力随飞行速度和迎角的变化情况 废阻随速度提高而增大。高速飞行时 废阻占主导地位。 诱导阻力随速度提高（迎角减小的过 程）而减小。低速飞行时诱导阻力占 主导地位。 小迎角飞行时废阻中的摩擦阻力占主 导地位，大迎角飞行时压差阻力占主 导地位。 当物体以音速或超音速运动时，扰动波的传播速度等于或小于飞机前当物体以音速或超音速运动时，扰动波的传播速度等于或小于飞机前 进速度，这样，后续时间的扰动就会同已有的扰动波叠加在一起，形成较进速度，这样，后续时间的扰动就会同已有的扰动波叠加在一起，形成较 强的波，空气遭到强烈的压缩、而形成了激波。强的波，空气遭到强烈的压缩、而形成了激波。 五、波阻 气流通过激波时，能量发生转换， 由动能转化为热能。动能的消耗表示 产生了新的阻力波阻。 激波的分类： 按相对于飞行速度（或气流速度）成垂直或成偏斜的状态，有正按相对于飞行速度（或气流速度）成垂直或成偏斜的状态，有正 激波和斜激波两种不同的形状。激波和斜激波两种不同的形状。 正激波的波阻要比斜激波大，斜激波倾斜的越厉