航空航天概论第2章-飞行器飞行原理

第2章飞行器飞行原理2.1飞行环境2.2航空器飞行基本原理2.3火箭与导弹飞行原理2.4高速飞机的特点2.5航天器飞行基本原理飞行器为什么能够在天上自由地飞行而不会掉下来呢？通过学习飞行器飞行的基本原理可以解答这个问题。第2章飞行器飞行原理从力学的观点，阻碍飞行器飞行的力有两种：一是地球的引力---试图将飞行器拉回地面二是空气的阻力---试图阻碍飞行器向前运动克服阻碍的方法不同：航空器---借助空气产生的升力来克服地球的引力，依靠发动机推力克服空气的阻力；航天器---依靠惯性离心力克服地球的引力，依靠反作用力克服空气阻力。2.1飞行器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。只有了解和掌握了飞行环境的变化规律，并设法克服或减少飞行环境对飞行器的影响，才能保证飞行器飞行的准确性和可靠性。这里所指的飞行环境包括地球表面的大气层和地球大气层以外的宇宙空间。大气结构图2.1.1大气层1、对流层•大气中最低的一层为对流层，其气温随高度增加而逐渐降低。对流层的上界随地球纬度、季节的不同而变化。就纬度而言，对流层上界在赤道地区平均为16—18km；在中纬度地区平均为9～12km；在南北极地区平均为7～8km。对流层的特点•（1）气温随高度升高而降低•在对流层内，平均每升高100m气温下降0.65℃，所以又叫变温层。该层的气温主要靠地面辐射太阳的热能而加热，所以地面的温度高。•（2）有云、雨、雾、雪等天气现象•地球上的水受太阳照射而蒸发，使大气中聚集大量的各种形态的水蒸汽。同时由于气温的变化就会有云、雨、雾、雪等天气现象的产生。•（3）空气上下对流激烈•由于地面的地形和地貌的不同，因此造成垂直方向和水平方向的风，即空气发生大量的对流。2.1.1大气层2、平流层•平流层位于对流层的上面，其顶界约为50km。在平流层大气主要是水平方向的流动，没有上下对流。随着高度的增加，起初气温基本保持不变(约为216K)；到20～32km以上，气温升高较快，到了平流层顶界，气温升至270～290K。平流层的这种气温分布特征同它受地面影响较小和存在大量臭氧有关。平流层的主要特点是空气沿铅垂方向的运动较弱，因而气流比较平稳，能见度较好。•飞行器的飞行的理想环境是对流层和平流层。3、中间层•中间层为离地球表面50～85km的一层。在这一层内，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。当高度升到80km左右时气温降到160～190K。该层内空气非常稀薄，质量仅占整个大气质量的1/3000。4、电离层•从中间层顶界到离地平面800km之间的一层称为电离层也叫热层。在此层内，空气密度极小，由于空气直接受到太阳短波辐射，所以温度随着高度增加而上升。同时空气处于高度电离状态，因此带有很强的导电性，能吸收、发射和折射无线电波。这对远距离无线电通信起着很大的作用。5、散逸层•热层顶界以上为散逸层，它是地球大气的最外层。在此层内，空气极其稀薄，又远离地面，受地球引力很小，因而大气分子不断地向星际空间逃逸。这层内的大气质量只是整个大气质量的10-11。大气外层的顶界约为2000～3000km的高度。2.1.1大气层2.1.2大气的物理特性与标准大气1、大气的物理特性(1)连续性•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。但飞行器所处的飞行环境为高空大气层和外层空间，空气分子间的平均自由行程很大，气体分子的自由行程大约与飞行器的外形尺寸在同一数量级甚至更大，在此情况下，大气就不能看成是连续介质了。(2)压强•大气的压强是指物体的单位面积上所承受的大气的法向作用力的大小。1、大气的物理特性（3）粘性•大气的粘性是空气在流动过程中表现出的一种物理性质，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，也叫做大气的内摩擦力。2.1.2大气的物理特性与标准大气1、大气的物理特性（4）可压缩性•气体的可压缩性是指当气体的压强改变时其密度和体积改变的性质。不同状态的物质可压缩性也不同。液体对这种变化的反应很小，因此一般认为液体是不可压缩的；而气体对这种变化的反应很大，所以一般来讲气体是可压缩的物质。（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。2.1.2大气的物理特性与标准大气2、标准大气•前面所述的大气物理性质是随着所在地理位置、季节和高度而变化的，这样就使得航空器上产生的空气动力也发生变化，从而使飞行性能发生变化。为了在进行航空器设计、试验和分析时所用大气物理参数不因地而异，必须建立一个统一的标准，即所谓的标准大气。•国际标准大气的规定：（1）大气被看成完全气体，即服从状态方程。（2）以海平面的高度为零。在海平面上，大气的标准状态为：气温t=15℃；压强p=1atm；密度ρ=1.2250kg/m3；声速c=314m/s。具体的数据可以查《国际标准大气简表》。2.1.2大气的物理特性与标准大气2.2航空器飞行原理掌握空气流动规律是理解航空器飞行原理的关键2.2.1空气流动基本规律—1、相对运动原理重于空气的飞机，是靠飞机与空气作相对运动时所产生的空气动力，克服自身的重力而升空的。没有飞行速度，在飞机上就不会产生空气动力。空气动力的产生是空气和飞机之间有了相对运动的结果。2、连续性定理•当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的变截面管道时，在管道粗的地方流速比较慢，在管道细的地方流速比较快。这是由于管道中任一部分的流体不能中断也不能堆积，因此在同一时间，流进任一截面的流体质量和从另一截面的流出的流体质量应该相等。这就是质量守恒定律。2.2.1空气流动基本规律•单位时间内流过截面的流体质量，即质量流量qm:•qm=ρvAρ流体密度，kg/m3；v流体流速，m/s；A所取截面面积，m2；•单位时间内通过截面A-A和B-B的流体的质量流量应相等qm1=qm2=常数ρ1v1A1＝ρ2v2A2＝常数这就是质量方程或连续方程。2.2.1空气流动基本规律伯努利定理是描述流体的压强和速度之间的关系可以用实验说明。如图在粗细不均的管道中在不同截面积处安装三根一样粗细的玻璃管，首先把容器和管道的进口和出口开头都关闭，此时管道中的流体没有流动，不同截面处（A-A、B-B、C-C）的流体流速均为零，三根玻璃管中的液面高度同容器中的液面高度一样。这表明，不同截面处的流体的压强都是相等的。现在把进口和出口的开头同时都打开，使管道中的流体稳定地流动，并保持容器中的液面高度不变。此时三根玻璃管中的液面高度都降低了，且不同截面处的液面高度各不相同，这说明流体在流动过程中，不同截面处的压强也不相同。3、伯努利定理•通过以上实验我们可以得到一个数学表达式来表示：•因当注意，以上定理在下述条件下才成立：•（1）气流是连续的、稳定的。•（2）流动中的空气与外界没有能量交换。•（3）气流中没有摩擦，或变化很小，可以忽略不计。•（4）空气的密度没有变化，或变化很小，可以认为不变。3、伯努利定理4、低速和高速管道流动的特点气流特性是指空气在流动中各点的速度、压力和密度等参数的变化规律。而稳定气流是指空气在流动时，空间各点上的参数不随时间而变化。反之就是不稳定气流。在稳定气流中，空气微团流动的路线叫做流线由流线所组成的管道叫做流管高速流动的流量方程不可压缩流动的流体在低速流动时，体积流量守恒，流速与截面积成反比。但在高速流动时恰好相反。vdvMaAdA12在超音速流动中，流动的截面积增大，流动速度也变大。拉瓦尔喷管流速与截面积的关系典型收敛-扩张喷管，也叫拉瓦尔喷管，绿色代表亚音速，黄色正好为音速，红色为超音速高速流动的流量方程2.2.2飞机飞行原理•从空气动力角度看，飞机的几何外型由机翼、机身和尾翼（分水平尾翼和垂直尾翼）等主要部件的外型共同构成。•机翼是产生升力和阻力的主要部件。作用于机翼上的空气动力情况与飞机的性能密切相关，而机翼的空气动力特性受到机翼外型的影响。机翼的几何外型可以分为机翼平面几何形状和翼剖面几何形状。1、翼形几何外型的参数1、翼形几何外型的参数1、翼形几何外型的参数1、翼形平面几何参数b翼展长b：表征机翼邹游翼稍之间最大的横向距离。c0c1外露根弦长c0和翼稍弦长c1Λ0前缘后掠角Λ0：机翼前缘线同垂直于翼根对称面的直线之间的夹角。毛翼根弦长c’0：沿前缘与后缘线作延长线与机身中心线相交时所得长度。c’0D几何平均弦长cG：cG=(c0+c1)/2外露机翼面积Sw1：Sw1=cG(b-D)毛机翼平面面积S：S=c’Gb毛机翼平均几何弦长c’G：c’G=(c’0+c1)/2展弦比A：机翼展长与平均几何弦长之比，A=b/c’G=b2/S。梯形比λ：根稍比是指翼稍弦长与翼根弦长之比，λ=c1/c’0。毛机翼1、翼形平面几何参数bc0c1Λ0c’0Dee翼型：用平行于对称平面的切平面切割机翼所得的剖面，称为翼剖面，简称翼型。2、翼形几何外型的参数翼型：用平行于对称平面的切平面切割机翼所得的剖面，称为翼剖面，简称翼型。几何弦长c：连接翼型的前缘点(x=0)和后缘点(x=c)的直线长度。cxyO翼型厚度(t)：指上下翼面在垂直于翼弦方向的距离，其中最大者称为最大厚度Tmax厚度分布(yt)：在弦向任一位置x处，翼型的厚度t=yu-yl=2yu，用yt=t/2表示翼型厚度分布yuyl前缘半径(rl)：翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径后缘角(τ)：翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角弦线、弦长(c)：连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长。弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。rlτ2、翼形几何外型的参数翼型：用平行于对称平面的切平面切割机翼所得的剖面，称为翼剖面，简称翼型。cxyOyfyl中弧线：翼型厚度中点的连线弯度分布：有厚度的非对称翼，构造非对称翼型的“骨架”，称为中弧线的弯板，它的高度yf的分布（即中弧线方程）称为弯度分布。相对厚度：翼型最大厚度（Tmax）与翼型弦长（c）的比值Tmax/c相对弯度（f）：翼型最大弯度（fmax）与翼型弦长（c）的比值，f=fmax/c3、作用在飞机上的空气动力空气动力：空气流过物体或物体在空气中运动时，空气对物体的作用力。飞机上的空气动力R包括升力Y和阻力Q两部分。（1）升力空气流过机翼的流线谱如图，这样机翼上、下表面产生压力差。垂直于相对气流方向的压力差的总和，就是升力。机翼升力的着眼点，即升力作用线与翼弦的交点叫压力中心。机翼表面的压力分布•机翼表面上各个点的压力大小，可以用箭头长短来表示如图。箭头方向朝外，表示比大气压力低的吸力或叫负压力；箭头指向机翼表面，表示比大气压力高的正压力，简称压力。3、作用在飞机上的空气动力把各个箭头的外端用平滑的曲线连接起来，这就是用向量表示的机翼压力分布图。图上吸力用“-”表示，压力用“+”表示。机翼的迎角•相对气流与机翼之间的相对位置，用迎角表示如图。迎角α：翼弦与相对气流方向所夹的角叫迎角。相对气流方向指向机翼上表面，为负迎角；相对气流方向与翼弦重合，迎角为零。飞行中，飞行员可通过前后移动驾驶盘来改变迎角的大小或者正负。正常飞行中经常使用的是正迎角。3、作用在飞机上的空气动力飞机在飞行中，会有不同的飞行姿态。飞行姿态不同，迎角的正、负、大、小一般也不同。即相对气流方向和翼弦平面下表面的夹角为正迎角，相对气流方向和翼弦平面上表面的夹角为负迎角。机翼的迎角改变后，流线谱会改变，压力分布也随之改变，压力中心发生前后移动。机翼的迎角SvCYy221SvCYy221由升力公式可知增加升力的主要措施：•利用增升装置增加机翼面积S；•利用增升装置增大翼型弯度f，以增加升力斜率；•利用增升装置改善气流，即延缓附面层的气流分离，增大失速迎角。yC机翼上常用的增升装置非使用状态下是机翼剖面的一部分。位于前缘的有前缘缝翼和前缘襟翼；在后缘的有各种形式的后缘襟翼。3、作用在飞机上的空气动力3、作用在飞机上的空气动力（2）阻