航空概论2-18_高速飞行概述要点

第六章高速飞行西安航空学院刘璐主要内容主要内容：★高速气流特性★高速飞行的空气动力★高速飞行的外形特点★超音速飞行的“音爆”和“热障”高速飞行概述一.高速气流特性(一)空气的压缩性空气流过机翼时,机翼周围空气的密度要发生变化，这是由于压力变化所引起的。在低速飞行中，机翼周围的空气因压力变化所引起的空气密度变化量很小，其影响可以忽略不计。但在高速飞行中这种密度变化量很大，就不能忽略。大速度情况下，气流速度变化引起空气密度变化量显著增大，必将引起空气动力额外变化，甚至导致空气流动规律的改变。这是高速气流特性区别于低速气流的根本点。1.马赫数（M数）马赫数，也称“马氏数”、“M－数”，因奥地利物理学家马赫而得名。飞行器在空气中的运动速度与该高度远前方未受扰动的空气中的音速的比值，称飞行马赫数。气流速度与音速的比值，称气流马赫数。如果流场中的各点速度不同，那么某一点的流速与该点音速的比值称为当地马赫数（局部马赫数）。马赫数越大，介质的压缩性的影响越显著。当飞行器当地马赫数M达到1时，形成激波，造成所谓“音障”。当地马赫数M小于1而接近1称“亚音速”，当地马赫数M大于1称“超音速”。飞行马赫数的大小表达了飞行速度和音速对空气密度变化的影响。根据马赫数（飞行Ｍ数）的大小，在航空上把飞机的飞行速度分为五个范围：１．低速范围：马赫数小于０．６左右（马赫数大于０．６以上均为高速范围）２．亚音范围：马赫数从０．６７左右～０．８５左右．３．跨音范围：马赫数从０．８５左右～１．３左右．４．超音范围：马赫数从１．３左右～５左右．５．高超音范围：马赫数大于５（另一种规定为６～８）（二）音波·音速·马赫数1.音波:弱扰动波(1)音叉的一個尖端被敲击产生了振动.(2)用锤击鼓引起鼓膜振动.介质运动方向与波动前进方向平行者叫纵波，垂直者叫橫波。想想看，音波是哪一种呢？此种波动距发音源愈远，效果愈弱。音波传入人的耳膜，耳膜振动，再由中耳传入內耳听神经，再传给大脑，我们就听见了声音。静止水面若有雨滴或小的落石打下，我们会看到由落点处向外传出一圈圈的凹凸不平的同心圆纹，称为水波。如有落叶或物体浮于水面，此物体会隨著水纹的凹凸作上下运动，但不会随水波向外前进，它的运动方式代表了水波中水分子的运动方向。此种介质运动方向与波动前进方向垂直者叫橫波。与音波不同，音波是纵波。2.音速弱扰动波传播的速度叫音速.音速与传播音波的介质有关.介质越难压缩,音速就越大.因此,音速在金属中传播远比在水中快.音速在空气中传播时与空气压缩性密切相关.音速的快慢取决于空气是否容易压缩,而空气是否容易压缩又取决于空气温度,因此,音速的大小也就取决于空气温度的高低.在对流层范围内,音速随高度增加而减小,因为高度增加气温降低.3.弱扰动波的传播飞机在空气中飞行时，前端对空气产生扰动，这个扰动以扰动波的形式以音速传播，当飞机的速度小于音速时，扰动波的传播速度大于飞机前进速度，因此它的传播方式为四面八方；而当物体以音速或超音速运动时，扰动波的传播速度等于或小于飞机前进速度，这样，后续时间的扰动就会同已有的扰动波叠加在一起，形成较强的波，空气遭到强烈的压缩，而形成了激波。空气在通过激波时，受到薄薄一层稠密空气的阻滞，使得气流速度急骤降低，由阻滞产生的热量来不及散布，于是加热了空气。加热所需的能量由消耗的动能而来。下面我们来分析一下弱扰动波的传播情况1.飞机的飞行速度等于零（V=0）扰动空气形成的弱扰动波是以０为圆心的同心圆传播．2.飞机的飞行速度小于音速（VA）扰动波一方面不断扩大，一方面不断前进．３．飞机的飞行速度等于音速（V=A）弱扰动波的一边波面始终相切，不可能使前面发生任何变化，而只能对其后的空气发生影响．４．飞机的飞行速度大于音速（VA）弱扰动波一面前进，一面扩大，弱扰动所能影响的范围局限于两条切线所夹的范围之内．结论：弱扰动在亚音速和超音速飞行时的传播情形是不同的．在亚音速时，飞机整个空间逐渐都能传播扰动．在超音速时，被扰动的范围只限于弱扰动锥内，弱扰动锥以外的气流不受扰动的影响．飞行速度比音速大得越多，扰动波向前传播越困难，这个范围也越小．（三）超音速气流的加速特性低速气流的加速特性是：流速要加快，流管必须变细．超音速气流的加速特性是：流速要加快，流管必须变粗．在低速气流（M0.6）时，根据气流连续性方程：ΡＶＳ＝M(常数)由于气流速度低，空气密度变化不大，因此：流速与流管截面积成反比．即流管截面积越小流速越大．在高速气流中，流速改变，密度随之变化明显．流速加快，压力降低，引起密度减小．流速加快，要求流管截面积减小；密度减小，要求流管截面积增大，由于在高速气流中密度的变化大，因此，流速加快，流管截面积增大。总之，亚音速气流，流速要加快，流管截面积要减小；超音速气流，流速要加快，流管截面积要必须增大。气流由亚音速加速到超音速的过程中，在亚音速阶段，流管逐渐收缩，当增速到局部速度达到音速时，流管收缩到最小；而在超音速阶段，流管则逐渐扩张。亚音速气流，流过逐渐变细的流管会加速；而超音速气流，只有流过逐渐变粗的流管方能加速。膨胀波的形成超声速流遇有扰动就会产生波的运动。超声速气流沿内折壁面或外折壁面流动时，受壁面的影响将产生两种性质不同的流动现象。当超声速流流过凸曲面或凸折面时，如图，由于通道面积加大，气流发生膨胀，而在膨胀伊始因受扰动而产生马赫波，这种气流受扰后压强将下降，速度将增大情况下的马赫波称为膨胀波。超声速流绕外折角的膨胀波膨胀波产生的特点:1.超声速流为定常二维流动,在壁面折转处必定产生一扇型膨胀波组,此扇型膨胀波是由无限多的马赫波所组成．2.经过膨胀波组时,气流参数是连续变化的,其速度增大,压强,密度和温度相应减小,流动过程为绝热等熵的膨胀过程.3.气流通过膨胀波组后,将平行于壁面流动.4.沿膨胀波束的任一条马赫线,气流参数不变,故每条马赫线也是等压线.而且马赫线是一条直线.5.膨胀波束中的任一点的速度大小仅与该点的气流方向有关.二．高速飞行的空气动力（一）临界马赫数（M临界）当飞机机翼表面局部的流动气体速度第一点达到超音速时之飞机飞行速度，称为临界速度．临界速度与飞机所在高度的音速之比称为临界马赫数．临界马赫数是决定局部气流特性是否发生性质变化的一个数量界限，可用它作为机翼空气动力特性即将发生显著变化的标志．临界马赫数的高低，随迎角变化而不同，迎角增大，临界马赫数降低，迎角减小，则临界马赫数提高．（二）机翼局部激波的形成当飞机的飞行速度超过临界马赫数时,在该机翼局部表面地方将产生稳定压力波,此种压力波即为局部激波.局部激波的位置及压强与飞行马赫数大小有关.马赫数越大,局部激波稳定的位置后移.(三)升力系数和升力在高速飞行中的变化在低速飞行中,翼型升力系数的大小只取决于迎角和形状.在高速飞行中,升力系数的大小不仅取决于迎角和形状,还取决于飞行的马赫数.1.升力系数随飞行M数的变化（１）当飞行Ｍ数较小时（Ｍ＜０．６），升力系数基本上不随飞行Ｍ数变化．（２）当飞行Ｍ数接近临界Ｍ数时，升力系数随飞行Ｍ数增大而变大．（３）当飞行Ｍ数继续增大但小于音速时，升力系数随飞行Ｍ数先增大，而后逐渐减小．（４）当飞行Ｍ数为超音速时，升力系数随飞行Ｍ数的逐步增大而不断下降．２．升力随Ｍ数的变化升力的变化趋势与升力系数变化趋势并不完全一致．升力的大小不仅与升力系数成正比，而且与飞行速度的平方成正比．在飞行Ｍ数为亚音速时，升力的变化趋势与升力系数变化趋势基本一致．在飞行Ｍ数为超音速时，升力一方面随Ｍ数平方倍增大，另一方面又受升力系数随Ｍ数下降的影响，因此升力随Ｍ数的变化平缓上升．３．超音速飞行机翼的升力（四）阻力系数和阻力在高速飞行中的变化飞行数超过临界数时，阻力急剧增大，主要原因是机翼上下表面出现局部激波，在超音速飞行以后，机翼前缘产生了头部激波．１．波阻产生的原因（１）跨音速飞行时，机翼出现了局部超音区和局部激波．（２）超音速飞行时，机翼前缘出现头部激波．２．阻力系数和阻力随飞行Ｍ数的变化亚音速阶段：阻力系数和阻力基本上不随飞行Ｍ数而变化．跨音速阶段：飞行Ｍ数大于临界Ｍ数后，阻力系数和阻力急剧上升．超音速阶段：飞行Ｍ数大于１后，阻力系数随Ｍ数的增大而减小，而飞行阻力却随Ｍ数的增大而增加．三．高速飞行的外型特点（一）高速飞机的翼型特点１．厚弦比小２．对称型或接近对称型３．最大厚度位置靠近翼弦中间４．前缘曲率半径小（二）高速飞机机翼平面形状特点１．一般采用后掠机翼．２．采用三角形机翼更能减小波阻３．采用小展弦比梯形机翼４．采用变后掠翼（三）尾翼的特点特点：采用全动式尾翼．所谓全动式尾翼是指整块水平尾翼、垂直尾翼都可以转动（没有舵面），用它来改变尾翼的空气动力变化，以提高跨音速阶段的俯仰和方向的操纵性。（四）机身外型特点采用机头尖削、长细比大的圆柱型，表面保持光滑平整．四．超音速飞行的“音爆”和“热障”（一）超音速飞行的“音爆”现象飞机作超音速飞行时，机头、机尾都会产生激波，使激波后面的空气压力增大很多．在激波经过的瞬间，地面将听到“巨雷”或炸弹爆炸般的响声，这就是超音速飞行的“音爆”现象．激波所引起的压力变化，对地面影响是否严重，与飞行高度、飞行姿态、飞机外型及飞行Ｍ数有很大的关系。大飞机在飞行高度低，飞行Ｍ数又大时，影响较大，其中以飞行高度最为显著。所以一般情况下，作超音速飞行不应低于规定高度，以减小“音爆”的影响。（二）超音速飞行中的“热障”现象“热障”现象指的是飞机在高速飞行时，由于气动加温，使得飞机局部地区表面温度过高，与飞机机内人员、设备，特别是结构材料耐高温能力之间的矛盾。★解决的办法：１．采用耐高温的结构材料，如：钛合金、不锈钢。２．用隔热层来保护机内构件，设备和人员．３．采用冷却液来冷却飞机结构．★缺点：增加了飞机的重量和复杂性．总结一.高速气流特性二．高速飞行的空气动力三．高速飞行的外型特点四．超音速飞行的“音爆”和“热障”