航空概论第二章

1第2章飞行原理2.1空气的基本性质2.1.1大气飞行环境飞行器在大气层内飞行时所处的环境条件，称为大气飞行环境。包围地球的空气层(即大气)是航空器的唯一飞行活动环境，也是导弹和航天器的重要飞行环境。大气层无明显的上限，它的各种特性在铅垂方向上的差异非常明显。以大气中温度随高度的分布为主要依据，可将大气层划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层(外大气层)等5个层次。航空器的大气飞行环境是对流层和平流层。1.对流层对流层是地球大气中最低的一层。其厚度随纬度和季节变化，一般低纬度地区平均为16～18公里；中纬度地区平均为10～12公里；高纬度地区平均为8～9公里。(1)对流层中气温随高度增加而降低。平均每增高100米，气温下降0.65K。(2)对流层集中了几乎全部的水汽，是天气变化最复杂的层次，也是对飞行影响最重要的层次。飞行中所遇到的各种重要天气现象几乎都出现在这一层中，如雷暴、浓雾、低云幕、雨、雪、大气湍流、风切变等。(3)由于受地面情况和地形的影响，对流层中有水平风和垂直风，而垂直风对飞机的飞行不利。(4)对流层集中了全部大气约四分之三的质量2.平流层平流层位于对流层顶之上，顶界伸展到约50～55公里。(1)在平流层内，随着高度的增加气温最初保持不变或微有上升，到25～30公里以上气温升高较快，到了平流层顶气温约升至270～290K。平流层的这种气温分布特征同它受地面影响小和存在大量臭氧有关。(2)在平流层中，空气的垂直运动远比对流层弱，基本上只有水平风而无垂直风，飞机飞行平稳。(3)平流层水汽含量也较少，天气变化小，对飞行有利。(4)平流层大气质量约占整个大气的四分之一。3.中间层中间层从平流层顶大约50～55公里伸展到80公里高度。这一层的特点是：气温随高度增加而下降，空气有相当强烈的垂直运动。在这一层的顶部气温可低至160～190K。4.热层热层的范围是从中间层顶伸展到约800公里高度。热层的一个特征是气温随高度增加而上升。另一个重要特征是空气处于高度电离状态。5.散逸层散逸层又称逃逸层、外大气层，是地球大气的最外层，位于热层之上。那里的空气极其稀薄，同时又远离地面，受地球的引力作用较小，因而大气分子不断地向星际空间逃逸。航天器脱离这一层后便进入太空飞行。2.1.2大气的物理性质和理想气体1.大气的物理性质大气的物理性质包括大气的温度、压强(也常常称为压力)、密度(或比重)、音速、粘性和压缩性等方面。空气的粘性，是空气自身相互粘滞或牵扯的特性。从本质上讲，粘性是流体内相邻两层间的内摩擦。空气的粘性很小，不易觉察。把手浸入水中，抽出时就会有水珠粘附在手上，这表明水有粘性；把手浸入甘油或蜂蜜中间，附着的就更多，这表明它们的粘性比水大得多。空气的粘性2比水的要小。空气的粘性和温度有关，温度高，空气的粘性大，反之就小。空气的粘性对飞机飞行的影响主要表现在其与飞行的摩擦阻力有关。空气的压缩性，是指在压强(压力)的作用下或温度改变的情况下，空气改变自己的密度和体积的一种特性。空气的压缩性比水要大得多，水几乎很难压缩。在低速(低速指流动速度小于0.3倍的音速)时，空气压强的变化一般不大，空气密度的变化很小，空气的压缩性对于飞机的飞行影响很小。所以在低速飞行时，可以认为空气是不可压缩的，即可以认为密度是一个不变的数值。这样就使问题简单多了。但在高速(超音速)飞行时，就必须考虑空气的压缩性。2.理想气体空气的密度()、温度(T)和压强(P)是说明空气状态的主要参数。三者之间不是独立的，而是相互联系的。它们之间的关系可用下式表示其规律：gRTP凡变化规律符合此式的气体称为理想气体。在飞行速度不高时，空气的性质与理想气体差别不大，可近似按理想气体对待。只有在航速超过音速5倍时，才有必要考虑真实气体的状态方程。2.1.3国际标准大气由大气飞行环境可知，大气的密度、温度、压强等项参数随着地理位置、离地面的高度和季节等的变化而变化，因而使飞机上的空气动力和飞行性能随之变化。因此，同一架飞机在不同的地点飞行，所显示的飞行性能是不一样的。就是同一架飞机在同一地点飞行，只要季节或时间不同，所得的飞行性能也会不同。至于不同的飞机，所得的结果就更不同了。这就为比较飞机的飞行性能带来困难。为了有一个研究空气动力和飞行性能的统一标准，国际航空界协议，人为地规定了大气温度、密度、压强等随高度变化的关系，这就是国际标准大气。该规定以地球中纬度地区大气参数的平均值作为标准。其特点如下：(1)以海平面作为高度H计算的起点。在H＝0的高度上，国际标准大气的温度Ｔ0＝15℃(288.15K)；压力Ｐ0＝101204.6Pa，密度ρ0＝1.22422kg／m3。(2)高度在11km以下，随着高度的增加，温度呈直线下降。高度每增加1km，温度下降6.5℃(6.5K)。高度在11～20km的范围内，温度保持不变，为-56.5℃(216.65K)。高度在20～32km的范围内，温度随高度的增加呈直线上升，每升高1km，温度上升1℃(1K)。2.2低速气流的特性所谓低速气流，是指流动速度小于0.3倍音速(音速用a表示)的气流。所谓气流特性，就是指流动中的空气其压强、密度、温度以及流管粗细同气流速度之间相互变化的关系。2.2.1流场的概念1.流体气体和液体统称为流体。气体和液体的共同特性是：不能保持一定形状，具有流动性。气体和液体的不同特性是：液体具有一定的体积，不可压缩；而气体可以压缩。当所研究的问题并不涉及到压缩性时，所建立的流体力学规律，既适合于液体也适合于气体。当计及压缩性时，气体和液体就必须分别处理。气体虽然是可压缩的，但在许多工程中，气体的压力和温度变化不大(如低压等)、气流速度远小于音速(如速度v＜0.3a)时，可以忽略气体的压缩性，这时即把气体看作为不可压缩的流体。这样近似能使问题简化并不会引起太大的误差。2.流场流体所占据的空间称为流场。用以表征流体特性的物理量如速度、温度、压强、密度等，称为流体的运动参数。所以流场又是分布上述运动参数的场。3.定常流动与非定常流动（稳定流动与不稳定流动）根据运动参数随时间的变化，我们可以将流动分为定常流动与非定常流动。如果流场中流体的运动参数不仅随位置不3同而不同，而且随时间变化而变化，这样的流动称为非定常流动（又称为不稳定流动）。如果流场中流体的运动参数只随位置改变而与时间无关，这样的流动称为定常流动（又称为稳定流动）。4.流线流线是流场中某一瞬时的一条空间曲线，在该线上各点的流体质点所具有的速度方向与曲线在该点的切线方向重合。流线具有以下特征。(1)非稳定流时，由于流场中速度随时间改变，经过同一点的流线其空间方位和形状是随时间改变的。(2)稳定流动时，由于流场中各点流速不随时间改变，所以同一点的流线始终保持不变，且流线与迹线(流场中流体质点在—段时间内运动的轨迹线)重合。(3)流线不能相交也不能折转。因为空间每一点只能有—个速度方向，所以不能有两条流线同时通过同一点。三种情况例外：速度为零的点，通常称为驻点；速度为无限大的点，通常称为奇点；流线相切，上下两股速度不等的流体在该点相切。(4)流场中的每一点都有流线通过。由这些流线构成流场的总体称为流线谱，简称流谱。5.流管和流束在流场中任画一封闭曲线，在该曲线上每一点做流线，由这许多流线所围成的管状曲面称为流管。由于流管表面是由流线所围成，而流线不能相交，因此流体不能穿出或穿入流管表面。这样，流管就好象刚体管壁一样把流体运动局限在流管之内或流管之外。在稳定流时流管好象真实管子一样。充满在流管内的流体，称为流束。2.2.2运动的转换相对原理：如果在一个运动物体系上附加上一个任意的等速直线运动，则此附加的等速直线运动并不破坏原来运动的物体系中各物体之间的相对运动，也不改变各物体所受的力。利用相对原理，可进行运动的转换，使问题的研究大为简化。设物体以速度u在静止空气中运动，根据相对原理，可以给物体系(物体与周围空气)加上一个与速度u大小相等方向相反的速度。这样得到的运动，与物体静止不动，无穷远处气流以速度u流向物体的情况，空气作用在物体上的力是完全相同的，这就是运动的转换原理。也就是说，空气作用在物体上的力，并不决定于空气或物体的绝对速度，而决定于二者之间的相对运动。2.2.3连续性定理实际的例子：(1)河水流动：在河道宽而深的地方流得比较慢；而在河道窄而浅的地方流得比较快。(2)夏天乘凉时，我们总喜欢坐在两座房屋之间的过道中，因为那里常有“穿堂风”。(3)在山区感到山谷中的风经常比平原开阔的地方来得大。质量守恒定律是自然界基本的定律之一，它说明物质既不会消失，也不会凭空增加。如果把这个定律应用在流体的流动上，就可以得出这样的结论：当流体低速、稳定、连续不断地流动时，流管里的任一部分，流体都不能中断或积聚，在同一时间内，流进任何一个截面的流体质量和从另一个截面流出的流体质量应当相等。设截面Ⅰ的面积为1F，气流速度为1v，空气密度为1，则单位时间内流进该截面的气体质量为1111Fvm同理，单位时间内流出Ⅱ截面的气体质量为2222Fvm根据质量守恒定律，21mm，即：222111FvFv由于截面Ⅰ和截面Ⅱ是任意选取的，所以可以认为，单位时间内流过任何截面的气体质量都是相等的，故得vF常数如果在流动过程中，气体密度不变，即21，则有vF常数4方程(2-2)式或(2-3)式称为连续方程。进一步可写成1221FFvv它说明了气流流动速度和流管截面积之间的关系。由此看出，当低速稳定流动时，气流速度的大小与流管的截面积成反比，这就是连续性定理。也可以粗略地说，截面积小的地方流速快，而截面积大的地方则流速慢。流体流动速度的快慢，可用流管中流线的疏密程度来表示。流线密的地方，表示流管细，流体流速快，反之就慢。需要指出的是，连续性定理只适应于低速(流速v＜0.3a，a为音速)的范围，即认为密度不变，不适合于超音速。2.2.4伯努利定理在日常生活中，我们会观察到一些在流体的速度发生变化时，压力也跟着变化的情况。例如，在两张纸片中间吹气，两张纸不是分开，而是相互靠近；两条船在水中并行，也会互相靠拢；当台风吹过房屋时，往往会把屋顶掀掉，等等。能量守恒定律是自然界另一个基本定律。它告诉我们，能量不会自行消灭，也不会凭空产生，而只能从一种形式转化为另一种形式。伯努利定理便是能量守恒定律在空气动力学中的具体应用。伯努利定理的具体形式是：0222221112121pvpvp式中1p为Ⅰ截面的静压，2p为Ⅱ截面的静压，221v为动压(也称速压)；0p为总压。所谓静压，即是气流流动时作用于管壁的压强。动压为气体流动时由流速产生的附加压强，或者说是单位体积流体所携带的动能，它并不作用于管壁上。总压是速度等于0时的静压。从该式可知，在低速、稳定流动时，流场中的任一点，气体的静压与动压之和为一常量，且等于其总压，这就是伯努利定理。也可以粗略地说，低速、稳定流动时，流速小的地方，压强大；而流速大的地方压强小。同连续性定理一样，伯努利定理的应用也是有条件的，它只适应于低速，即认为密度不变，不适应于高速；并且要求流场中的气体不与外界发生能量交换。连续性定理和伯努利定理是气体动力学中两个最基本的定理，它们说明了流管截面积、气流速度和压力这三者之间的关系。综合这两个定理，我们可以得出如下结论：低速稳定流动的气体，流过的截面积大的地方，速度小，压强大；而截面积小的地方，流速大，压强小。这一结论是解释机翼上空气动力产生的根据。需要强调的是，在这里得出的连续性定理和伯努利定理只适用于低速，即气流不可压缩(即密度不变化)的流动情况，不能推广到高速。2.3机翼的外形参数当飞机在空中飞行时，作用在飞机上的空气动力主要是由机翼产生；而机翼上的空气动力的大小和方向，在很大程度上又决定于机翼的外形，即机翼的翼型形状、平面形状和前视形状。2.3.1翼型的几何参数沿着与飞机对称面平行的平面在机翼上切出的剖面称为机翼的翼型，又叫翼剖面。确定翼型的主要几何参数有：弦长、相对厚度、最大厚度