航天概论2飞行原理上

航空航天概论徐焜电子科技大学空天科学技术研究院2009年9月第二章飞机飞行原理（上）主要内容：2.1

飞行环境2.2

流动气体基本规律2.3

飞机的升力和阻力2.4高速飞行特点2.5

风洞2.1飞行环境

飞行环境

大气飞行环境

空间飞行环境2.1.1大气飞行环境

从宇宙空间看到的地球，包围在地球外部的一层美丽而又千变万化的气体，总称为大气或大气层。、在2000千米高度以上，大气极其稀薄，并逐渐向行星际空间过渡。

有关大气层的一组数据：

大气总质量的90%集中在地球表面15千米高度以内；

总质量的99.9%集中在地球表面50千米高度以内；

地球的半径为：6371千米。

压强为海平面压强的1/4；

在离地球表面10千米高度：

空气密度为海平面空气密度的1/3。2.1.1大气飞行环境对流层平流层中间层热层散逸层2.1.1大气飞行环境

对流层是紧贴地面的一层，它受地面的影响最大。因为地面附近的空气受热上升，而位于上面的冷空气下沉，这样就发生了对流运动，所以把这层叫做对流层。

对流层2.1.1大气飞行环境

对流层的下界是地面，上界因纬度和季节而不同。在低纬度地区其上界为17-18公里；在中纬度地区为10-12公里；在高纬度地区仅为8-9公里。夏季的对流层厚度大于冬季。以成都为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。对流层2.1.1大气飞行环境

气温随高度增加而逐渐降低；

风向、风速经常变化；

空气上下对流激烈；

有云、雨、雾、雪等天气现象。对流层2.1.1大气飞行环境

在对流层的顶部，直到高于海平面50-55公里的这一层，气流运动相当平衡，而且主要以水平运动为主，故称为平流层。平流层2.1.1大气飞行环境平流层内大气只有水平运动（水平风）能见度较好。平流层特点2.1.1大气飞行环境

平流层之上，到高于海平面85公里高空的一层为中间层。气温随高度的增加而下降的很快，到顶部气温已下降到-83℃以下。由于下层气温比上层高，有利于空气的垂直对流运动，故又称之为高空对流层或上对流层。中间层2.1.1大气飞行环境

从中间层顶部到高出海面800公里的高空，称为热层，又叫电离层。这一层空气密度很小，在700公里厚的气层中，只含有大气总重量的0.5％。据探测，在120公里高空，声波已难以传播；270公里高空，大气密度只有地面的一百亿分之一，所以在这里即使在你耳边开大炮，也难听到什么声音。暖层里的气温很高，据人造卫星观测，在300公里高度上，气温高达1000℃以上。所以这一层叫做暖层或者热层。热层2.1.1大气飞行环境

暖层顶以上的大气统称为散逸层，又叫外层。它是大气的最高层，高度最高可达到3000公里。这一层大气的温度也很高，空气十分稀薄，受地球引力场的约束很弱，一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间中去。根据宇宙火箭探测资料表明，地球大气圈之外，还有一层极其稀薄的电离气体，其高度可伸延到22000公里的高空，称之为地冕。地冕也就是地球大气向宇宙空间的过渡区域。人们形象地把它比作是地球的“帽子”。散逸层2.1.1大气飞行环境

地球空间环境包括地球高层大气、电离层、磁层（存在高能带电粒子辐射带）

行星际空间环境极高度真空环境，存在电磁辐射、高能离子辐射、等离子体流和宇宙射线。2.1.2空间飞行环境太阳系八（九）大行星：

水星金星地球火星木星土星天王星海王星（冥王星）2.1.2空间飞行环境

国际标准大气的规定：以海平面的高度为零,且在海平面上,

大气标准状态为：

气温T＝15℃

压强p＝1标准大气压（即p＝10330kg/m2）

密度ρ＝1.2250kg/m3

音速a＝341m/s

目的：为了准确描述飞行器的飞行性能，就必须建立一个统一的标准，即标准大气。国际标准大气

大气的状态参数和状态方程

状态参数：压强、密度和温度。

状态方程：

其中，R为大气气体参数。国际标准大气国际标准大气表H（km）T（oC）ρ（kg/m3）P(pa)015.01.2251.013×10518.51.1128.987×10422.01.0077.948×1044-11.00.8206.163×1048-37.00.5263.558×10410-50.00.4132.642×10411-56.50.3642.261×10415-56.50.1941.203×10420-56.50.0885.46×10330-56.50.0191.17×103

粘性1)大气物理性质2.2流动气体基本规律

声速

声波是一个振动的声源在介质中传播时产生的疏密波。

空气中的声速：341米/秒

水中的声速：1440米/秒声波的性质：介质的可压缩性越大，声速越小；介质的可压缩性越小，声速越大。2.2流动气体基本规律1)大气物理性质

马赫数

马赫数的大小可以作为判断空气受到压缩程度的指标。2.2流动气体基本规律1)大气物理性质

根据马赫数的大小，可以把飞行器的飞行速度划分为如下区域：

为低速飞行为亚音速飞行为跨音速飞行为超音速飞行

为高超音速飞行2.2流动气体基本规律1)大气物理性质2.2流动气体基本规律2)飞机相对运动原理2.2流动气体基本规律2)流体连续性定理

质量守恒定律-----质量不会自生也不会自灭。

流体质量流量-----单位时间流过横截面面积S

的流体质量。

q=sv

m1=m2=m3

=const.

m2=2s2v2

m3

=3s3v32.2流动气体基本规律2)流体连续性定理1s1v1=2s2v2=3s3v3=……=const.即：sv=const.当流体不可压缩时，即：=const.时：有：sv=const.2.2流动气体基本规律2)流体连续性方程2.2流动气体基本规律3)伯努利定理

管道中以稳定的速度流动的流体，若流体不可压缩，且与外界无能量交换（绝热），则沿管道各点的流体的动压与静压之和等于常量。2.2流动气体基本规律3)伯努利定理伯努利方程

p+1/2v2=P=const.

静压＋动压＝总压＝常数（*不可压理想流体）2.2流动气体基本规律4)低速流动空气特性

根据流体连续性定理和伯努利定理，可以得到以下：流体在管道中流动时，凡是管道剖面大的地方，流体的流速就小，流体的静压就大，而管道剖面小的地方，流速就大，静压就小。即：若

A1＞A2

则v1＜v2

p1＞p2

2.2流动气体基本规律5)高速流动空气特性

当气流速度达到或超过声速时，气流受到强烈的压缩，相对于速度的改变，密度的变化占了主导地位，从而流动特性与低速气流产生了本质的差别,即：

若

A1＞A2

则v1＞v2

p1

＜p22.2流动气体基本规律应用实例———

截面积先逐渐收缩，后逐渐扩张的喷管﹐用以在出口处获得超声速气流。这种喷管广泛应用于喷气发动机和火箭发动机。

拉瓦尔喷管

拉瓦尔喷管实际上起到了一个"流速增大器”的作用2.2流动气体基本规律

火车站月台上，一位中年富商和他的妻子正在候车，准备去外地旅游。正当火车驶过月台的时候，中年富商被人推下铁轨，火车将富商撞死。

不久，一位女青年来到公安局，她自称出于良心和正义，指控她的男友是凶手。她说她和男友刚经过一场激烈的争吵决定分手，男友到车站送他离开。进月台时，男友遇到了富商，互相勉强点头，可以看出他们是有点熟的旧识。

那列火车进站的时候，她正站在月台上，火车经过时的强大风力吹得她向后倒。这时，她看到男友用右手猛得将富商推下月台。

但警察说：“你是在陷害。”

什么是致命的、被识破的假象呢？

2.2流动气体基本规律现象解释——？？？2.2流动气体基本规律现象解释——？？？2.3飞机的升力2.3飞机的升力1)

机体坐标系原点：飞机重心；x轴：飞机纵轴，指向头部为正；y轴：飞机纵向对称平面（横轴）内，并垂直于x轴，指向上方为正；z轴：位置和指向按右手（立轴）定则确定，即从左机翼通过重心到右机翼2.3飞机的升力2)飞机几何外形翼型：机翼的横剖面形状。翼型最前端的一点叫“前缘”，最后端一点叫“后缘”。翼展：机翼翼尖两端点之间的距离，也叫展长，以“L”表示。

2.3飞机的升力3)机翼、翼型及其有关参数翼弦：翼型前后缘之间的连线；其长度称为弦长，通常以b表示。若机翼的平面形状不是矩形，则采用“平均气动力弦长”来代替弦长，平均气动力弦长用bba表示，定义为：bba

=S/L。

2.3飞机的升力3)机翼、翼型及其有关参数厚度：以翼弦为基础作垂线，每一条垂线在翼形内的长度即为该处的翼型厚度，以c表示最大厚度

cmax相对厚度2.3飞机的升力3)机翼、翼型及其有关参数弯度：厚度线中点的连线叫中弧线。中弧线与翼弦之间的最大距离叫翼形的最大弯度，以fmax表示。相对弯度2.3飞机的升力3)机翼、翼型及其有关参数展弦比：展长和平均气动力弦长之比;以λ表示，即：λ=L/bba2.3飞机的升力3)机翼、翼型及其有关参数根稍比：机翼的翼根弦长与翼尖弦长之比，也称“梯形比”或“尖稍比”,以η=b根弦/b梢弦表示。后掠角：通常以χ表示

前缘后掠角：机翼前缘同垂直于飞机纵轴的直线之间的夹角，以χ0表示；后缘后掠角χ1

1/4弦线后掠角χ0.25

2.3飞机的升力3)机翼、翼型及其有关参数上反角和下反角：

机翼的底面同垂直于飞机立轴的平面之间的夹角，以ψ表示。2.3飞机的升力3)机翼、翼型及其有关参数迎角：翼弦与相对气流速度v之间的夹角，也称为飞机的攻角，通常以α表示。2.3飞机的升力3)机翼、翼型及其有关参数2.3飞机的升力3)机翼、翼型及其有关参数4)飞机的升力2.3飞机的升力

一般翼型的前端圆钝、后端尖锐，上表面拱起、下表面较平，呈鱼侧形。当气流迎面流过机翼时，流线分布情况如图。原来是一股气流，由于机翼的插入，被分成上下两股。通过机翼后，在后缘又重合成一股。

根据气流连续性原理和伯努利定理可知：上翼面的气流流速就比下翼面的流速快；上翼面的静压也就比下翼面的静压低，上下翼面间形成压力差，此静压差称为作用在机翼上的空气动力。2.3飞机的升力4)飞机的升力2.3飞机的升力4)飞机的升力2.3飞机的升力4)飞机的升力空气动力是分布力，其合力的作用点叫做压力中心。空气动力合力在垂直于气流速度方向上的分量就是机翼的升力。空气动力的分布随迎角的不同而变化。因此，飞机升力的大小也随迎角的改变而变化。2.3飞机的升力4)飞机的升力升力的计算公式：式中：

ρ为飞机所在高度处的空气密度，

v为飞机的飞行速度,(1/2ρv2)为动压，

S为机翼的面积，

Cy为升力系数。2.3飞机的升力4)飞机的升力

机翼面积的影响

相对速度的影响

空气密度的影响影响飞机升力的因素

机翼剖面形状和迎角的影响

对于某一种翼型，通过实验可以获得升力系数与迎角的关系曲线，即Cy—α曲线。2.3飞机的升力4)飞机的升力在Cy—α曲线中，对应于升力系数等于零的迎角称为零升力迎角；对应于最大升力系数Cymax的迎角叫临界迎角或失速迎角。当飞机的迎角小于临界迎角时，升力系数随着迎角的增大而增大；当迎角超过临界迎角后，迎角增大，升力系数却急剧下降，这种现象称为失速。2.3飞机的升力4)飞机的升力2.3飞机的升力4)飞机的升力失速2.3飞机的升力4)飞机的升力失速2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置目前所使用的增升装置的增升原理主要有三类：①增大翼型弯度；②增大机翼面积；③控制机翼上的附面层，推迟气流的不利分离。2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置襟翼

前缘缝翼前缘襟翼2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置——襟翼

一般的襟翼位于机翼后缘，靠近机身，在副翼的内侧。襟翼放下时，既增大机翼的升力，同时也增大飞机的阻力，因此通常在起飞阶段，襟翼只放下较小的角度，而在着陆阶段才放下到最大角度。巡航时起飞时降落时2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置简单襟翼分裂襟翼开缝襟翼后退襟翼复合襟翼襟翼分类——襟翼

2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置——襟翼

A）简单襟翼简单襟翼的形状与副翼相似，用铰链连接于机翼后缘，其构造比较简单，不偏转时形成机翼后缘的一部分。简单襟翼放下最大角度时，大约能使Cymax增大65％～75％。2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置B）分裂襟翼分裂襟翼（也称开裂襟翼）象一块薄板，用铰链安装于机翼后缘下表面并成为机翼的一部分。分裂襟翼一般可把机翼的Cymax提高75％～85％。——襟翼

2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置C）开缝襟翼开缝襟翼是在简单襟翼的基础上改进而成的，开缝襟翼放下时，其前缘与机翼之间形成一条缝隙开缝襟翼的增升效果较好，一般可使Cymax增大约85％～95％。——襟翼

2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置D）后退襟翼后退襟翼工作时，既向下偏转同时又沿滑轨向后移动，也即既增大翼型弯度又增加机翼面积。后退襟翼一般可使翼型的Cymax增大约110％～140％。——襟翼

2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置E）复合襟翼复合襟翼由后退襟翼和开缝襟翼合并设计而成，其增升效果更好，为现代飞机所广泛采用，但其结构相应地也更复杂。——襟翼

2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置——前缘缝翼

前缘缝翼是安装在机翼前缘的一段或几段狭长的小翼面，当前缘缝翼打开时，它与基本机翼前缘表面形成一道缝隙，前缘缝翼的作用相当于附面层控制。通常，前缘缝翼在大迎角，特别是接近或超过基本机翼临界迎角时才使用。2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置——前缘缝翼

目前所使用的大多是自动式前缘缝翼。这种前缘缝翼用滑动机构与基本机翼相连，依靠前缘空气动力的压力和吸力来自动控制其闭合和打开。2.3飞机的升力5)飞机增升原理及装置——前缘襟翼

前缘襟翼就是可偏转的机翼前缘。在大迎角下，前缘襟翼向下偏转，使前缘与来流之间的角度减小，气流沿上翼面的流动比较光滑，避免发生局部气流分离，同时也增大了翼型的弯度。前缘襟翼与襟翼配合使用可进一步提高增升效果。2.3飞机的阻力

按阻力产生的原因，飞机低速飞行时的阻力一般可分为：摩擦阻力干扰阻力诱导阻力压差阻力2.3飞机的阻力作用在飞机上的空气动力在平行于气流速度方向上的分力就是飞机的阻力。6）飞机阻力

当气流流过飞机表面时，由于空气存在粘性，空气微团与飞机表面发生摩擦，阻滞了气流的流动，由此而产生的阻力叫做摩擦阻力。

摩擦阻力是在附面层中产生的。2.3飞机的阻力

相邻大气层之间相互运动时产生的牵扯作用力，叫做大气的内摩擦力，也叫大气的粘性。——摩擦阻力6）飞机阻力附面层—所谓附面层就是紧贴物体表面，流速由外部流体的自由流速逐渐降低到零的那一层薄薄的空气层。

2.3飞机的阻力——摩擦阻力附面层中气流的流动情况也是不同的，可分为层流附面层和紊流附面层。层流附面层：气流各层不相混杂而成层流流动，其摩擦阻力较小。紊流附面层：气流活动杂乱无章，并出现漩涡和横向运动，但整个附面层仍然附着于翼面，其摩擦阻力较大。6）飞机阻力2.3飞机的阻力——摩擦阻力——附面层尾迹：附面层脱离翼面而形成大量宏观的漩涡。转捩点：层流附面层转变为紊流附面层的点分离点：附面层开始脱离翼面的点。6）飞机阻力2.3飞机的阻力——摩擦阻力

空气的粘性

飞机表面的形状（光滑程度）

同气流接触的飞机表面积的大小（浸润面积）

附面层中气流的流动情况2.3飞机的阻力——摩擦阻力影响因素6）飞机阻力运动着的物体前后由于压力差而形成的阻力叫做压差阻力。2.3飞机的阻力——压差阻力6）飞机阻力2.3飞机的阻力——压差阻力影响因素6）飞机阻力

物体的迎风面积

物体的形状2.3飞机的阻力——诱导阻力6）飞机阻力诱导阻力是翼面所独有的一种阻力，它是伴随着升力的产生而产生的，因此可以说它是为了产生升力而付出的一种“代价”。2.3飞机的阻力——诱导阻力6）飞机阻力2.3飞机的阻力——诱导阻力6）飞机阻力机翼下洗角计算公式：

式中，τ为机翼形状修正系数，机翼为椭圆时τ为0，其余形状τ大于0。

机翼的平面形状

翼剖面形状

机翼的展弦比2.3飞机的阻力——影响诱导阻力因素6）飞机阻力翼梢小翼

装在飞机机翼梢部的一组直立的小翼面，用以减小机翼诱导阻力。有单上小翼、上下小翼等多种形式的翼梢小翼。单上小翼由于结构简单而使用较多。飞机的诱导阻力约占巡航阻力的40％。降低诱导阻力对提高巡航经济性具有重要意义。风洞实验和飞行试验结果表明，翼梢小翼能使全机诱导阻力减小20％～35％，相当于升阻比提高7％。2.3飞机的阻力——减小诱导阻力因素6）飞机阻力2.3飞机的阻力——干扰阻力6）飞机阻力干扰阻力就是飞机各部分之间由于气流相互干扰而产生的一种额外的阻力。为减小干扰阻力，必须妥善地考虑和安排各个部件的相对位置，在这些部件之间必要时应加装整流片。2.3飞机的阻力——阻力计算公式6）飞机阻力与计算升力时不同的是：1）Cx为阻力系数。对某一翼型、某一平面形状的机翼而言，阻力系数Cx与迎角α，机翼形状、表面粗糙程度有关。阻力系数曲线同样也由试验获得。2）S为参考面积，计算时应视使用的部件不同而不同。2.3飞机的阻力——阻力系数6）飞机阻力2.4高速飞行特点2.4.1音速和马赫数2.4.2高速气流特性2.4.3激波2.4.1音速和马赫速音速：音波在空气中传播的速度。马赫数：马赫数简称Ma数，用以描述空气受压缩的程度。Ma越大，空气被压缩越严重。马赫数的数学表达式为：

Ma=v/av：飞机在一定高度上的飞行速度；

a：飞机所在位置处的音速。2.4.1音速和马赫速

根据马赫数的大小，可以把飞行器的飞行速度划分为如下区域：为低速飞行（可不考虑压缩性）

为亚音速飞行

为跨音速飞行

为超音速飞行

为高超音速飞行2.4.2高速气流特性当气流速度接近和高于音速时，大气呈现出强烈的压缩和膨胀现象，压力、密度和温度都会发生显著的变化，气流特性会出现一些不同于低速流动的质的差别。2.4.2高速气流特性

在高速流动时，一维流管中气流速度v和所流过的流管截面积s之间的关系为：式中，Ma为气流的马赫数，ds为流管截面积s的变化量；dv为气流速度v的变化量。2.4.3激波

1）扰动波的传播2）激波及其分类3）局部激波和临界马赫数4）提高临界马赫数的措施2.4.3激波

1）扰动波的传播

扰动源在静止的空气中以速度v作等速直线运动，根据扰动源的不同运动速度，会出现四种可能的情况：扰动源静止不动：

Ma＝0扰动源以亚音速运动：0＜

Ma

＜

1扰动源以等音速运动：

Ma

＝1扰动源以超音速运动：

Ma

＞

1由于扰动源静止不动，所以扰动波以音速a向四周传播，形成以扰动源为中心的同心球面波。M=01）扰动波的传播2.4.3激波0＜M＜1由于扰动源以亚音速运动，所以扰动源总是落后于扰动波，形成偏向扰动源前进方向的不同心球面波。1）扰动波的传播2.4.3激波M=1由于扰动源以音速运动，所以扰动波总是与扰动源同时到达某一点，扰动波都迭聚在扰动源处，形成一个垂直于扰动源前进方向的波面。此波面成为受扰和未受扰空气的分界面。1）扰动波的传播2.4.3激波M＞1由于扰动源以超音速运动，所以扰动波总是落后于扰动源，在扰动源后面形成一个圆锥面，所有扰动波都被局限在这个锥面内。

1）扰动波的传播2.4.3激波该锥面称为马赫锥，马赫锥的半顶角称为马赫角μ。显然，M数越大，马赫锥就越尖锐。1）扰动波的传播2.4.3激波M＞12）激波及其分类2.4.3激波激波：当飞机以等音速或超音速飞行时，在其前面也会出现由无数较强的波迭聚而成的波面，这个波面就称为激波。飞机是一个庞大物体，包含大量质量点。2）激波及其分类2.4.3激波激波现象F142.4.3激波F182.4.3激波激波是一层受到强烈压缩的空气层,尺度为1/1000~1/10000毫米。气流通过激波时，压强、密度、温度突然增加，而速度却大大降低。2.4.3激波3）激波特性正激波：波面与飞行速度垂直。斜激波：波面相对于飞行速度有倾斜角。2.4.3激波3）激波分类正激波的强度总是大于斜激波的强度；且激波面越倾斜，激波强度就越小。2.4.3激波

3）激波波阻波阻：空气在通过激波时，受到阻滞，流速急骤降低，由阻滞产生的热量使空气加热。加热所需的能量来自动能的消耗，动能的消耗就表示产生了阻力。因为这一阻力是由于形成激波而产生的，所以叫做波阻。波阻可消耗发动机¾动力，阻力系数增大几倍。2.4.3激波

3）激波强度波阻的大小与激波的强度有关，激波强度越大，波阻就越大。物体形状，尤其是头部形状是影响激波强度的主要因素。1、物体形状，尤其是头部形状2、物体运动速度，即M数2.4.3激波

3）激波影响因素2.4.3激波3）激波影响因素当M＞1时：若物体头部圆钝，在物体前面将形成脱体正激波，而沿上下两端逐渐倾斜成斜激波。若物体头部尖削