航空航天概论-空气动力学

1、航空航天概论空气动力学部分参考书：Introduction to the Aerodynamics of Flight, Theodore A.Talay, Langley Research Center.模型飞机空气动力学，马丁.西蒙斯，航空工业出版社。一.飞行器演化简史达芬奇的设计热气球和滑翔机先驱：George Cayley George Cayley, airfoil design, 1804 George Cayley, Glider, 1804一战、二战到现代二.背景知识大气层-飞机飞行的环境大气层分层Troposphere 对流层Tropopause 对流顶层Stratosphe

2、re 平流层，同温层Stratopause 平流顶层Mesosphere 中间层Mesopause 中间顶层Thermosphere 电离层Exosphere 外大气层，外逸层气温和音速随高度的改变1962年美国标准大气压风和湍流对飞行的影响不同高度的风速湍流影响对飞行稳定性的影响，空中加油积雨云，强对流，对飞行安全的影响。在平流层湍流较少，飞行平稳。偶尔也有晴空湍流。飞机的基本构型Fuselage 机身Wing 机翼Tail assembly 机尾Control surface 操纵面Landing gear 起落架Power plan发动机不同机型的机身机翼不同翼型：机翼形状机翼的位置（布

3、局）机尾和尾翼Fin 尾翼Rudder 方向舵Elevator 升降舵控制面Spoiler 气流偏导器，阻流板Aileron 副翼Flap 襟翼Trim tab 配平调整片（翅痣，防止颤振）副翼和襟翼副翼：操纵襟翼：增升起落架发动机布局飞机受力Thrust 推力Drag 阻力Weight 重力Lift 升力飞机对阻力敏感，应当尽量减阻对升力损失相对不敏感，损失的升力可以通过减阻补偿。阻还是提高航程和经济型的关键，对民航客机尤为重要。风筝，旋翼机和动力伞不怕阻力。滑翔机的飞行三.流体运动空气的基本性质：粘性（虽然小但却重要） 可压缩性（在高速时体现) 流动-流线的概念非定常流动：不同时刻的流线不

4、一致定常与非定常流动，定常流动流线与粒子轨线一致有旋和无旋流动流管和近似一维流动理想流-质量守恒和连续性方程流管相当于一个变截面管道理想流-Bernoulli关系沿流线理想流-Bernoulli关系沿流线压力的测量压力测量机翼表面速度和压力的变化真实流动-层流和湍流Reynolds效应表面摩擦效应压力和粘性力粘性导致总压（能量）的损失层流与湍流边界层真实流动中的机翼机翼表面静压分布机翼表面粘性效应流动分离，摩阻和压差阻力升力系数、阻力系数和力矩系数不同形状的阻力系数阻力系数随 Reynolds数变化Reynolds数增加，分离点推迟，总体阻力系数呈下降趋势。亚声速流动翼型和机翼Leading

5、edge 前缘Trailing edge 后缘Chord Line 翼弦Camber Line 中（弧）线，脊线Upper Surface 上翼面Low Surface 下翼面几种典型翼型翼型、攻角和升力攻角-翼弦和无穷来流夹角二维机翼（沿展向机翼截面-翼型相同）什么样的机翼可近似为二维翼型可以近似为二维翼型不可以近似为二维翼型二维翼型的升力理论Kutta-Joukowsky定理环量的确定:Kutta-Joukowsky条件（理想流）有环量无环量环量的确定:Kutta-Joukowsky条件（理想流）环量大小由Kutta-Joukowsky条件决定，粘性流体不需要此条件。二维机翼的升力和阻力系

6、数升力系数和攻角Stall-失速阻力系数与攻角阻力骤增失速的形成-流动分离二维机翼和三维机翼二维机翼和三维机翼差异三维机翼的表面真实流动-压力差三维机翼的表面真实流动-环量和涡系翼尖涡-简化的涡系实际涡系翼尖涡模型翼尖涡和升力上洗和下洗上洗和下洗上洗和下洗下洗和诱导阻力诱导阻力的危害减少诱导阻力提高展弦比（Aspect ratio）大展弦比机翼减少诱导阻力 翼稍小翼翼尖板和翼尖油箱减少诱导阻力 平面和厚度细化减少诱导阻力 平面和厚度细化减少诱导阻力 机翼展向扭转空气动力学装置-减少诱导阻力（椭圆机翼）空气动力学装置-减少诱导阻力增升减少分离装置-前缘缝翼固定型缝翼襟翼复合缝翼襟翼边界层控制-吹

7、吸气扰流器空气刹车片翼刀总阻力总阻力螺旋桨和旋翼螺旋桨-推力和扭矩螺旋桨-扭转角螺旋桨-变桨矩的作用螺旋桨布局-共桨旋翼和直升机旋翼提供的升力和推力稳定性，翼尖失速，上反角稳定性，翼尖失速，上反角稳定性跨声速流动(Transonic Flow)音速-扰动传播的速度温度越高音速越高。高空温度低，容易超音速。速度与音速之比，称为马赫数（Mach数，Ma）Subsonic 亚音速Transonic 跨音速Supersonic 超音速Hypersonic 高超音速跨音速和超音速的阻力-波阻音障激波的形成超音速特征跨声速性能改善消除阻力危机的措施1.采用薄翼2.采用前掠和后掠翼3.低展弦比机翼4.消除边

8、界层采用涡流发生器5.超临界翼型和面积律薄翼-降低厚度-弦长比（平方）阻力危机发生的Mach数小展弦比后掠翼后掠翼-降低实际展弦比前掠翼后掠翼展向流动和翼尖分离和失速翼刀的作用-抑制展向流动涡流发生器-增加边界层能量抑制流动分离激波的逆压梯度导致边界层分离，增加边界层动能可以抑制分离。减少跨音速阻力-超临界翼超临界翼的优点减少跨音速阻力面积律跨音速面积律飞行器在跨音速飞行时，前缘和后缘的激波不可避免，但如果飞行器沿前进轴线上飞行器在跨音速飞行时，前缘和后缘的激波不可避免，但如果飞行器沿前进轴线上的截面积急剧改变，将产生额外的激波，增加阻力。为了避免这额外的阻力，飞行的截面积急剧改变，将产生额外

9、的激波，增加阻力。为了避免这额外的阻力，飞行器沿前进轴线的截面积应该均匀改变（或者说截面积沿前进轴线的二阶导数或曲率器沿前进轴线的截面积应该均匀改变（或者说截面积沿前进轴线的二阶导数或曲率应该恒定），而截面的形状倒是无关紧要，这就是著名的跨音速面积率，也是超音应该恒定），而截面的形状倒是无关紧要，这就是著名的跨音速面积率，也是超音速飞机速飞机“蜂腰蜂腰”的来源。的来源。由线性化理论可以得出阻力只是截面面积有关，与形状无关。由线性化理论可以得出阻力只是截面面积有关，与形状无关。面积律的理论依据上图表示细长翼身组合体和其当量旋成体在升力为零时阻力系数增量CD(即与跨音速前阻力之差)在跨音速时的实验曲线。从该图可以看到两者阻力系数的增量几乎是一样的,这就证实了理论的结论。这也正是跨音速面积律的理论依据。YF-102 战斗机在用面积律修行之前（左）和之后（右）面积律在波音747上的应用歼-10战斗机的蜂腰设计采用面积律的强5型强击机超音速流动-降低波阻可调节的Mach锥加装了头部激波锥的歼6战斗机（左）和没有加装头部激波锥的歼6战斗机（右）可调节Mach锥歼7战斗机头部进气道可调节的激波锥（上）幻影2000战斗机两侧进气道前部的激波锥（下）超音速飞行-Mach锥大三角翼直翼和后掠翼可变后掠翼可变后掠翼II超音速客机SST-鸭翼和双三角翼双三角翼-