固定翼和旋转翼飞机的飞行原理

飞机的飞行原理第一章空气动力学基础知识一、空气的物理参数二、空气的物理性质三、大气分层四、国际标准大气五、气流特性空气也叫“大气”，包围地球的空气层也叫大气层。空气是一种无色、无味、无臭的混合性气体，是由不同成分的气体分子所组成的，主要成分为氮、氧、二氧化碳、氢、氩、氖、氦等，其中主要为氮和氧。空气按体积计算，氮约占总体积的78％，氧约占总体积的21％。空气按质量计算，氮约占总质量的76.5％，氧约占总质量的23.1％。空气是飞机的飞行介质。随着高度的增加，空气的密度、温度、压力、音速和空气的物理参数和性质也随着变化，影响着飞机飞行中的空气动力性能、发动机的工作状态、飞机的机体结构连接间隙的变化和飞机的座舱环境的控制等。基于上述原因，在讨论飞机的飞行原理之前，首先要对空气的物理参数和基本性质、大气的分层和国际标准大气、气流特性及气流流动的基本规律、附面层等有所了解，作为了解和掌握飞机飞行原理的基础。一、空气的物理参数空气的密度、温度和压力是确定空气状态的三个主要参数，飞机空气动力的大小和飞机飞行性能的好坏，都与这三个参数有关。1、空气的密度空气的密度是指单位体积内空气的质量，取决于空气分子数的多少。即：ρ＝m/V公式中：ρ为空气的密度，单位是“千克/米3”；m为空气的质量，单位是“千克”；V为空气的体积，单位是“米3”。空气的密度大，说明单位体积内空气的分子数多，我们称为空气稠密；空气的密度小，说明单位体积内空气的分子数少，我们称为空气稀薄。大气的密度随高度的增加而减小。2、空气的温度空气的温度是指空气的冷热程度。空气温度的高低表明空气分子作不规则热运动平均速度的大小。空气温度的高低可以用温度表（计）来测量。空气的温度一般用“t”来表示。我国和世界上大多数国家通常采用的是摄氏温度，单位用摄氏度（℃）表示。西方的一些国家和地区采用的是华氏温度，单位用华氏度（℉）表示。摄氏温度（℃）和华氏温度（℉）可以用下式进行换算：℉＝9/5℃十32℃＝(℉—32)5/9例如：0℃为32℉；15℃为59℉。工程计算中经常采用“绝对温度”的概念，用“T”表示，单位用开氏度（ºK）表示。当空气分子停止不规则的热运动时，即分子的运动速度为零时，我们把这时的温度作为绝对温度的零度。绝对温度（T）与摄氏温度（t）之间的关系可以用下列公式进行换算：T＝t＋273绝对温度的0ºK等于摄氏温度－273℃3、空气的压力空气的压力（也称气压）是指空气的压强，即单位面积上所承受空气垂直方向的作用力。压力的单位：1）工程单位：公斤/米2或公斤/厘米22）国际单位：帕斯卡(Pa：牛顿/米2)、大气压：1大气压＝10.13x104Pa3）水银柱高：毫米水银柱高（mmHg）在海平面上（H＝0）：1大气压＝760mmHg＝10.13牛顿/厘米24、空气的密度、温度、压力之间的关系1)空气密度与温度的关系瘪了的兵兵球放在热水里一烫，又会鼓圆起来，这表明一定质量的空气，如果保持压力不变，当温度增高对，会引起空气膨胀，体积变大，使密度减小；相反，温度降低时，空气体积变小，密度增大。物质的“热胀冷缩”就是这个原理。2）空气压力和温度的关系一定质量的气体，如保持体积(或密度)不变，温度升高时，压力会增大，比如炎热的夏天，打足了气的自行车车胎容易爆破；又如机务维修外场规定，冷气瓶充满压缩空气后，不能在外场爆晒，以防止爆炸，就是这个道理。3）空气密度与压力的关系用力压皮球，皮球会瘪下去，这表明一定质量的空气，如果保持温度不变，当压力增大时，会使体积缩小，密度就会增大；相反，当压力减少时，密度也随之减少。4）气体状态方程式气体压力、密度、温度三者间的变化关系，可以用气体状态方程式(简称气态方程式)表示：P=RρT公式中：R为气体常数，是一个有量刚的常数，其含义是指在等压的情况下，温度每升高1ºK时，1千克的气体膨胀所做的功。在海平面上，空气的气体常数R＝287．06(焦尔／千克·ºK)。二、空气的物理性质1、空气的粘性空气粘性的物理实质，是空气分子作无规则运动的结果，当相邻两层空气具有不同流速时，流得快的那层空气分子的动量大，它作无规则运动而进入小速度层，通过分子间的掺和碰撞，会增加该层分子的能量，从而牵动该层空气加速；速度小的那一层空气分子，会碰入大速度层面，使该层速度减小。这种相邻两层空气的相互牵扯的特性，就是空气的粘性。而这种层与层之间的作用力就是空气的粘性力（也叫空气的内摩擦力），用下列公式表示：F＝μ·Δv/ΔY·Sμ为粘性系数，气体的粘性系数随温度的升高而增大，液体的粘性系数随温度的升高而降低，没有粘性的流体被称为理想流体；Δv/ΔY为速度梯度，S为接触面积。2、空气的压缩性一定质量的空气，当压力或温度改变时，引起空气密度变化的性质，叫做空气的压缩性。影响空气压缩性的主要因素：1）气流的流动速度（v）。气流的流动速度越大，空气密度的变化显著增大（或密度减小的越多），空气易压缩（或空气的压缩性增大）。2）空气的温度（t）。空气的温度越高，空气的密度变化越小（或密度减小的越少），空气不易压缩（或空气的压缩性减小）。3、空气的湿度空气的湿度是指大气的潮湿程度，通常用相对湿度来表示。相对湿度是指大气中所含水蒸气的量与同温度下大气能含有的水蒸气最大量之比，当相对湿度为100％时，说明大气中含有的水蒸气量达到了最大值，处于饱和状态。不同温度下大气所含有的水蒸气最大量是不同的，温度越高大气所含有的水蒸气最大量最大。随着温度的降低，大气的相对湿度会增加。大气的相对湿度达到100%时的温度被称为露点温度。这个时候空气的密度约等于干空气密度的5/8。三、大气分层包围着地球的空气层叫做大气层，根据不同气象条件和气温变化等待征，可以把大气分成若干层，如以气温变化为基础，则可将整个大气层分为对流层（变温层）、平流层(同温层)、中间层、电离层（暖层）和散逸层等五层，如上图所示。1、对流层（变温层）对流层是贴近地球表面的一层，对流层的高度就纬度而言，在赤道地区平均为17～18公里；在中纬度地区平均为10～12公里；在南、北极地区平均为8～9公里。我国属于中纬度地区，但南北距离较大，对流层的高度也不一样。例如在广州地区的平均高约16公里，北京地球高约11公里，东北地区高约10公里。对流层高度夏季高于冬季。对流层的特点：1）气流温度随高度升高而降低在对流层中．由于空气受热的直接来源不是太阳，而是地面，太阳放射出的能量，大部分被地面吸收，空气是被太阳晒热的地面而烤热的，所以越靠近地面，空气温度就越高。在中纬度地区，随着高度的增加，空气温度从15℃降低到11公里高时的－56.5℃。2）风向、风速经常变化由于太阳对地面的照射程度不一，加之地球表面地形、地貌的不同，地面各地区空气气温和密度不相同，气压也不相等，即使同一地区，气温、气压也常会发生变化，使大气产生对流现象，形成风，且风向、风速也会经常变化。3）空气上下对流激烈地面各处的温度不同，受热多的空气膨胀而上升，受热少的空气冷却而下降，就形成了空气的上下对流。4）有云、雨、雾、雪等天气现象地球表面的海洋、江河中的水由于太阳照射而不断蒸发，使大气中常常聚集着各种形态的水蒸气，在空中形成了“积雨云”，随着季节的变化，就会形成云、雨、雾、雪、雹和打雷、闪电等天气现象。5）空气的组成成分一定对流层中几乎包含了全部大气质量的3/4，主要是由于地球引力作用的结果。由于对流层具有以上特点，会给飞机的飞行带来很大影响。在高空飞行时，气温低，容易引起飞机结冰，温度变化还会引起飞机各金属部件收缩，改变机件间隙，甚至影响飞机正常工作。上下对流空气会使飞机颠簸，既不便于操纵，又使飞机受力增大。2、平流层（同温层、恒温层）平流层位于对流层的上面，顶界离地面约30～35公里。平流层空气的特点是：1）随着高度的增加气温保持不变，中纬度地区平均保持在－56.5℃左右，所以这层空气被称为同温层或恒温层。2）几乎没有水蒸气，没有积雨云，所以没有云、雨、雾、雪等天气现象。3）空气没有上下对流，只有水平方向的风，所以被称为平流层。4）风向、风速稳定，不经常变化平流层的空气在水平方向的流动比较稳定，变化不多。5）空气质量不多平流层中的空气比较稀薄，质量不多，质量大约占整个大气质量的1/4不到。从以上特点可以看出，平流层除了空气比较稀薄不利于飞机飞行外，其他特点都是有利于飞机的飞行的。所以平流层是飞机飞行的理想空间，现代飞机、干线飞机、国际航线飞机都尽可能的在这层空间飞行。3、中间层中间层是在平流层之上，其顶端离地面的高度大约为80～100公里。中间层的特点：1）随着高度的增加，空气的温度先升后降中间层的气温，当高度增加到45公里时，由35公里时的－56.5℃增加到40℃左右，再随着高度的增加，到80公里时，温度降低到－65.5℃以下。2）有大量臭氧存在。3）有水平方向的风，且风速相当大。4）空气质量很少，只占整个大气的三千分之一。这层空气不利于飞机飞行，只有探空气球飞行。4、电离层（暖层、热层）电离层位于中间层之上，顶界离地面大约800公里。电离层的特点：1）空气温度随着高度的增加而急剧增加，气温可以增加到400℃以上（最高可达1000℃以上）。2）空气具有很大的导电性，空气已经被电离，主要是带负电的电离子。3）空气可以吸收、反射或折射无线电波。4）空气极为稀薄，占整个大气的1/亿，声波无法转播。这层空气主要有人造卫星、宇宙飞船飞行。5、散逸层散逸层位于电离层顶端之上，就是大气的最外层，顶界离地面的高度可达2000～3000公里，向外就是星际空间。散逸层内的空气分子数极少，只是星星点点，占整个大气质量的10－11，由于地球吸引力很小，常有一些气体向星际空间散逸，故称为散逸层。散逸层内有极光存在，有宇宙火箭等航天飞行器飞行。四、国际标准大气（表）飞机的飞行性能与大气状态(温度、气压、密度等)密切相关，而大气状态是瞬息多变的，为了便于比较飞机的飞行性能，就必须以一定的大气状态作为衡量标准。国际航空协会组织参照中纬度地区(北纬35º～60º之间)大气状态的平均值，订出了大气的状态数值，作为计算和试验飞行器的统一标准，以便于对飞机、发动机和其他飞行器的试飞结果和计算结果加以比较。处于这种状态下的大气，我们叫国际标准大气。国际标准大气的主要规定1、以海平面的高度为零，在海平面上（H＝0）空气的标准状态是：气压Po＝10.13牛顿/厘米2气温to＝15℃（59℉、288ºK）密度ρo＝1．225千克／米3音速ao=341米/秒（1227公里/小时）2、在11公里以下，高度每升高1000米，空气温度降低6．5℃，从11公里起到25公里高，气温保持在一56．5℃；高度每升高250米，音速降低1米/秒。3、气压、空气密度、气温和音速随高度的变化如上图所示。五、气流特性（一）、相对运动原理有风的时候，我们站着不动，会感到有空气的力量作用在身上；没有风的时候，如果我们骑车飞跑，也会感到有空气的力量作用在身上。这两种情况虽有所不同，但所产生的空气动力是一样的。前一种是空气流动，物体不动；后—种是空气静止，物体运动。所以只要空气和物体有相对运动，就会产生空气动力。至于空气和物体哪一个相对于地面运动，那是没有什么区别的。影响空气动力的重要因素是，飞机同空气之间的相对速度。例如飞机以每小时300km的速度(V1)在静止的空气中飞行，或者气流以每小时300km的速度(V2)流过静止的飞机，两者的相对速度都是每小时300km。这两种情况，在飞机产生的空气动力完全相等，并且这两种运动情况可以转换，所以叫做“相对运动原理”(或可逆性原理)。（二）、稳定气流及流线、流管和流线谱空气在流动时，如果空间各点上速度的大小和方向、压力、密度等参数不随时间而改变，叫做稳定气流。如果空气的流动情况随时间而改变，也就是在空间某一点上，气流参数随时间而改变，这样的