航概02飞行环境及飞行原理

2.1飞行环境2.2流动气体的基本规律2.3飞机上的空气动力作用及原理2.4高速飞行的特点2.5飞机的飞行性能及稳定性和操纵性2.6直升机的飞行原理郑州航空工业管理学院2.1飞行环境飞行环境对飞行器的结构、材料、机载设备和飞行性能都有着非常重要的影响。飞行环境包括大气飞行环境和空间飞行环境。郑州航空工业管理学院2.1.1大气环境根据大气中温度随高度的变化可将大气层划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。航空器的飞行环境是对流层和平流层。郑州航空工业管理学院1.对流层大气中最低的一层，特点是其温度随高度增加而逐渐降低，空气对流运动极为明显。对流层的厚度随纬度和季节而变化。（0～18公里）郑州航空工业管理学院2.平流层位于对流层的上面，特点是该层中的大气主要是水平方向流动，没有上下对流，能见度较好。（18～50公里）平流层的气温分布特征同它受地面影响较小和存在大量臭氧有关。郑州航空工业管理学院3.中间层在该层内，气温随高度升高而下降，且空气有相当强烈的铅垂方向的运动。（50～80公里）郑州航空工业管理学院4.热层该层空气密度极小，由于空气直接受到太阳短波辐射，空气处于高度电离状态，温度随高度增加而上升。（80～800公里）5.散逸层散逸层是大气层的最外层。在此层内，空气极其稀薄，又远离地面，受地球引力很小，因而大气分子不断向星际空间逃逸。（800～2000、3000公里）郑州航空工业管理学院2.1.2空间环境空间飞行环境包括自然环境和诱导环境。诱导环境指航天器或某些系统工作时诱发的环境，如失重、振动、冲击等。空间飞行环境主要是指真空、电磁辐射、高能粒子辐射、等离子和微流星体等所形成的飞行环境。郑州航空工业管理学院地球空间环境包括地球高层大气环境、电离层环境和磁环境。从距离地表600km~1000km向外空间延伸，有一个磁层，磁层中存在着密集的高能带电粒子辐射带，称“范艾伦辐射带”，可引起航天器材料、器件和人体辐射损伤。郑州航空工业管理学院行星际空间是一个真空度极高的环境，存在着太阳连续发射的电磁辐射、爆发性的高能粒子辐射和稳定的等离子体流（太阳风）。空间飞行器处于地球磁场之外，因此容易受到太阳风等因素的影响。这里的环境除了主要受到太阳活动的影响外，还受来自银河系的宇宙线和微流星体等的影响。郑州航空工业管理学院2.1.3国际标准大气为了准确描述飞行器的飞行性能，必须建立一个统一的标准，即标准大气。国际标准大气，是由国际性组织颁布的一种“模式大气”。它依据实测资料，用简化方程近似地表示大气温度、密度和压强等参数的平均铅垂分布，并将计算结果排列成表，形成国际标准大气表。郑州航空工业管理学院大气被看成完全气体，服从气体的状态方程；以海平面的高度为零高度。在海平面上，大气的标准状态为：气温为15℃，压强为一个标准大气压，密度：1.225kg/m3，声速为341m/s。郑州航空工业管理学院2.1.4大气的物理性质1.大气的状态参数和状态方程大气的状态参数包括压强P、温度T和密度p这三个参数。它们之间的关系可以用气体状态方程表示，即R是大气气体常数，287.05J/kg·K。大气状态参数随飞行高度变化而变化，不仅对作用在飞机上的空气动力的大小有影响，还对发动机的推力大小有影响。RTP郑州航空工业管理学院2.连续性飞行器在空气介质中运动时，飞行器的外形尺寸远远大于气体分子的自由行程故在研究飞行器和大气之间的相对运动时，气体分子之间的距离完全可以忽略不计，即把气体看成是连续的介质。这就是在空气动力学研究中常说的连续性假设。在航天器的飞行环境中，大气就不能看成是连续介质了。郑州航空工业管理学院3.粘性大气的粘性力是相邻大气层之间相互运动时产生的牵扯作用力，即大气相邻流动层间出现滑动时产生的摩擦力，也称大气的内摩擦力。不同流体的粘性不同，流体的粘性可以用内摩擦系数来衡量，空气内摩擦系数的仅为水的1.81%。流体的粘性和温度有一定关系，随流体温度的升高，气体粘性增加，而液体的粘性则减小。郑州航空工业管理学院4.可压缩性流体可压缩性是指流体的压强改变时其密度和体积也改变的性质。当气流速度较小时，压强和密度变化很小，可以不考虑大气可压缩性的影响。当大气流动的速度较高时，压强和速度的变化很明显，就必须考虑大气可压缩性。郑州航空工业管理学院5.声速声速是指声波在物体中传播的速度。声波是一个振动的声源在介质中传播时产生的疏密波。飞机或物体在空气中运动时，在围绕它的空气中也会产生一直振动着的疏密波，这种疏密波在物理本质上和声波是一样的。郑州航空工业管理学院声速的大小和传播介质有关。在水中的声速大约为1440米/秒；而在海平面标准状态下，在空气中的声速仅为341米/秒。由此可知：介质的可压缩性越大，声速越小（如空气）；介质的可压缩性越小，声速越大（如水）声速不但和介质有关，而且在同一介质中，也随温度的变化而变化。郑州航空工业管理学院6.马赫数声速越大，空气越难压缩；飞行速度越大，空气被压缩的越厉害。马赫数Ma的定义为飞行器飞行速度越大，Ma就越大，飞行器前面的空气就压缩得越厉害。因此，Ma的大小可作为判断空气受到压缩程度的指标。avMa郑州航空工业管理学院Ma与飞行器飞行速度的关系Ma0.4,为低速飞行；（空气不可压缩）0.4Ma0.85,为亚声速飞行；0.85Ma1.3,为跨声速飞行；（出现激波）1.3Ma5.0,为超声速飞行；Ma5.0，为高超声速飞行。郑州航空工业管理学院2.2流动气体的基本规律流体在流动过程中其物理参数（如速度、压力、温度和密度等）都会发生变化，它们在变化过程中必须遵循基本的物理定律：如质量守恒定律、能量守恒定律、牛顿第二和第三定律等。对于气体来说，气流流过物体时其物理量的变化规律与作用在物体上的空气动力有密切的关系郑州航空工业管理学院2.2.1相对运动原理飞机以一定速度作水平直线飞行时，作用在飞机上的空气动力与远前方空气以该速度流向静止不动的飞机时所产生的空气动力效果完全一样。郑州航空工业管理学院2.2.2流体流动的连续性定理取横截面1，2，3，假设在流管中流动的流体质量既不会穿越流管流出，也不会有其它流体质量穿越流面流入，则通过流管各截面的质量流量必须相等。郑州航空工业管理学院在单位时间内，流过变截面管道中任意截面处的气体质量都应相等，即该式称为可压缩流体沿管道流动的连续性方程。当气体以低速流动时，可以认为气体是不可压缩的，即密度保持不变。则上式可以写成该式称为不可压缩流体沿管道流动的连续性方程。常数333222111AvAvAv常数332211AvAvAv郑州航空工业管理学院它表述了流体的流速与流管截面积之间的关系。也就是说在截面积小的地方流速大。例如在河道窄的地方，水流得比较快；而在河道宽的地方，水流得比较慢。郑州航空工业管理学院2.2.3伯努利定理伯努利定理是能量守恒定律在流体流动中的应用。伯努利定理是描述流体在流动过程中流体压强和流速之间关系的流动规律。郑州航空工业管理学院在管道中稳定流动的不可压缩理想流体，在管道各处的流体动压和静压之和应始终保持不变即：静压+动压=总压=常数如果用P代表静压，0.5pv2代表动压，则任意截面处都有上式就是不可压缩流体的伯努利方程，它表示流速与静压之间的关系，即流体流速增加，流体静压将减小；反之，流动速度减小，流体静压将增加。常数233222211212121vPvPvP郑州航空工业管理学院郑州航空工业管理学院2.2.4低速气流的流动特点当管道收缩时,气流速度将增加，v2v1，压力将减小，P2P1；当管道扩张时,气流速度将减小，v2v1，压力将增加，P2P1。常数332211AvAvAv常数233222211212121vPvPvP郑州航空工业管理学院2.2.5高速气流的流动特点在低速飞行中，机翼周围的空气由于压力变化所引起的空气密度变化量很小。而在高速飞行中，气流速度变化所引起的空气密度变化，会引起空气动力发生很大的变化，甚至会引起空气流动规律的改变。随着气流速度的增加，当其接近和大于声速时，气流受到强烈的压缩，压力、密度和温度都会发生显著的变化，气流流动特性会出现一些与低速气流不同的质的差别。郑州航空工业管理学院超音速气流在变截面管道中的流动情况，与低速气流相反。收缩管道将使超音速气流减速、增压；而扩张形管道将使超音速气流增速、减压。郑州航空工业管理学院气流Ma0.20.40.60.811.21.41.6流速增加的百分比1空气密度变化的百分比-0.04-0.16-0.36-0.64-1-1.44-1.96-2.56流管截面变化百分比-0.96-0.84-0.64-0.3600.440.961.56气流速度的变化与密度变化关系郑州航空工业管理学院要使气流由亚声速加速成超声速，除了沿气流流动方向有一定的压力差外，还应具有一定的管道形状，这就是先收缩后扩张的拉瓦尔喷管形状。郑州航空工业管理学院2.3飞机上的空气动力作用及原理飞机之所以能在空气中飞行，最基本的条件是，当它在空中飞行时必须产生一种能克服飞机自身重力并将它托举在空中的力。作用在飞机上的空气动力包括升力和阻力两部分。升力主要靠机翼来产生，并用来克服飞机自身的重力。而阻力要靠发动机产生的推力来平衡，这样才能保证飞机在空中水平等速直线飞行。郑州航空工业管理学院2.3.1平板上的空气动力郑州航空工业管理学院压差阻力气流分离郑州航空工业管理学院郑州航空工业管理学院2.3.2机翼升力和增升装置“翼剖面”，也称“翼型”，是指沿平行于飞机对称平面的切平面切割机翼所得到的剖面。翼型最前端的一点叫“前缘”，最后端的一点叫“后缘”。郑州航空工业管理学院前缘和后缘之间的连线叫翼弦。翼弦与相对气流速度之间的夹角叫迎角。郑州航空工业管理学院1.升力的产生由于翼型作用，当气流流过翼面时，流动通道变窄，气流速度增大，压强降低；相反下翼面处流动通道变宽，气流速度减小，压强增大。上下翼面之间形成了一个压强差，从而产生了一个向上的升力。郑州航空工业管理学院2.影响飞机升力的因素1）机翼面积的影响机翼面积越大，则产生的升力就越大。2）相对速度的影响相对速度越大，机翼产生的升力就越大。升力与相对速度的平方成正比。3）空气密度的影响空气密度越大，升力也就越大，反之当空气稀薄时，升力就变小了。郑州航空工业管理学院4）机翼剖面形状和迎角的影响不同的剖面和不同的迎角，会使机翼周围的气流流动状态（包括流速和压强）等发生变化，因而导致升力的改变。翼型和迎角对升力的影响可以通过升力系数Cy表现出来。郑州航空工业管理学院在一定迎角范围内，随着迎角的增大，升力也会随之增大。当迎角超出此范围而继续增大时，则会产生失速现象。失速指的是随着迎角的增大，升力也随之增大，但当迎角增大到一定程度时，气流会从机翼前缘开始分离，尾部出现很大的涡流区，使升力突然下降，阻力迅速增大。失速刚刚出现时的迎角称为“临界迎角”。郑州航空工业管理学院总结以上各因素的影响，升力的公式可写成：SvCYy221郑州航空工业管理学院3.增升装置“增升装置”，可以使飞机在尽可能小的速度下产生足够的升力，提高飞机的起飞和着陆性能。增升原则1）改变机翼剖面形状，增大机翼弯度；2）增大机翼面积；3）改变气流的流动状态，控制机翼上的附面层，延缓气流分离。郑州航空工业管理学院飞机的增升装置通常安装在机翼的前缘和后缘位置。安装在机翼后缘的增升装置叫后缘襟翼。郑州航空工业管理学院郑州航空工业管理学院最简单的襟翼，靠增大翼型弯度来增大升力。富勒式襟翼，有三重增升效果：增加了机翼弯度；增大了机翼面积；由于开缝的作用，使下翼面的高压气流以高速流向上翼面，使上翼面附面层中的气流速度增大，延