AOPA飞行原理

第一章飞机的基本结构第一节：固定翼飞机的主要组成部分小型固定翼飞机的主要部件：机体、起落架、动力装置主要组成部分-机体：机身、机翼、尾翼第二章第页1固定翼无人机第二章第页2一、机身装载飞行控制系统、动力系统、通讯系统、燃料系统、任务系统等。将机翼、尾翼、发动机、起落架连在一起，形成完整的飞行平台第二章第页3二、机翼安装位置：第二章第页4机翼安装位置：第二章第页5副翼襟翼第二章第页6襟翼第二章第页7三、尾翼第二章第页8常规布局正V、倒V、双垂尾第二章第页9第二章第页10四、起降装置第二章第页11第二节翼型第二章第页12中弧线：翼型的上下表面的等距离的曲线。前缘、后缘：机翼上下表面的外形线在前后的交点。前缘半径：翼型前缘曲率圆的半径。弦线：前缘和后缘端点的连线。弦长：弦线被前缘和后缘所截长度。翼型的选择•翼型的升力特性；•翼型的阻力；•翼型的使用范围；•平面形状的影响；•足够的空间和刚度；•翼型选择的一般规律；第二章第页13第三节机翼的平面形状第二章第页14第二章第页15机翼的展弦比：机翼的梢根比：机翼的后掠角：机翼的平均气动弦长：上反角：机翼扭转：机翼的安装角：第二章大气第一节大气的成分和分层第二章第页16大气杂质17kg/m3hPaKftKmKg/m3对流层平流层(同温层)中间层电离层(暖层)温度对流层特点1920第三章空气动力学空气动力是空气相对于飞机运动时产生的，要学习和研究飞机的升力和阻力，首先要研究空气流动的基本规律。空气流动的描述●飞机的相对气流方向与飞行速度方向相反只要相对气流速度相同，飞机产生的空气动力就相同。●对相对气流的现实应用直流式风洞回流式风洞●风洞实验段及实验模型●风洞的其它功用一、相对气流、流线和流线谱空气流动的情形一般用流线、流管和流线谱来描述。流线：流场中一条空间曲线，在该曲线上流体微团的速度与曲线在该点的切线重合。对于定常流，流线是流体微团流动的路线。第一节气流特性流管：由许多流线所围成的管状曲面。●流线和流线谱流线谱是所有流线的集合。●流线和流线谱的实例●流线和流线谱的实例二、连续性定理流体流过流管时，在同一时间流过流管任意截面的流体质量相等。质量守恒定律是连续性定理的基础。●连续性定理12A1,v1A2,v211vA单位时间内流过截面1的流体体积为111vA单位时间内流过截面1的流体质量为222vA同理，单位时间内流过截面2的流体质量为则根据质量守恒定律可得：111222vAvA1122vAvAC常数即结论：空气流过一流管时，流速大小与截面积成反比。山谷里的风通常比平原大河水在河道窄的地方流得快，河道宽的地方流得慢●日常的生活中的连续性定理高楼大厦之间的对流通常比空旷地带大三、伯努利定理同一流管的任意截面上，流体的静压与动压之和保持不变。能量守恒定律是伯努力定理的基础。●伯努利定理2102vPP空气能量主要有四种：动能、压力能、热能、重力势能。低速流动，热能可忽略不计；空气密度小，重力势能可忽略不计。因此，沿流管任意截面能量守恒，即为：动能+压力能=常值。公式表述为：上式中第一项称为动压，第二项称为静压，第三项称为总压。●伯努利定理2102vPP—动压，单位体积空气所具有的动能。这是一种附加的压力，是空气在流动中受阻，流速降低时产生的压力。212vP—静压，单位体积空气所具有的压力能。在静止的空气中，静压等于当时当地的大气压。0P—总压（全压），它是动压和静压之和。总压可以理解为，气流速度减小到零之点的静压。第二节牛顿的三大定律①牛顿第一定律：孤立质点保持静止或匀速直线运动；②牛顿第二定律：物体因受力作用而产生加速度；③牛顿第三定律：相互作用的两个质点之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反第三节升力及升力系数升力的产生原理起点终点相同的时间，相同的起点和终点，小狗的速度和人的速度哪一个更快？●升力的产生原理飞行原理/CAFUC前方来流被机翼分为了两部分，一部分从上表面流过，一部分从下表面流过。由连续性定理或小狗与人速度对比分析可知，流过机翼上表面的气流，比流过下表面的气流的速度更快。飞行原理/CAFUCP1v1P2v22211112222PvPv12vv12PP211102PvP212202PvP●升力的产生原理飞行原理/CAFUC上下表面出现的压力差，在垂直于（远前方）相对气流方向的分量，就是升力。机翼升力的着力点，称为压力中心(CenterofPressure)飞行原理/CAFUC●压力中心的移动非对称翼型，在迎角小于临界迎角的范围内，迎角增大，压力中心前移。迎角大于临界迎角时，迎角增大，压力中心后移。翼型的压力分布飞行原理/CAFUC当机翼表面压强低于大气压，称为吸力。当机翼表面压强高于大气压，称为压力。用矢量来表示压力或吸力，矢量线段长度为力的大小，方向为力的方向。①矢量表示法●驻点和最低压力点飞行原理/CAFUCB点，称为最低压力点，是机翼上表面负压最大的点。A点，称为驻点，是正压最大的点，位于机翼前缘附近，该处气流流速为零。②坐标表示法飞行原理/CAFUC从右图可以看出，机翼升力的产生主要是靠机翼上表面吸力的作用，尤其是上表面的前段，而不是主要靠下表面正压的作用。升力公式飞行原理/CAFUC212LLCVS—飞机的升力系数LC212V—飞机的飞行动压S—机翼的面积。●升力公式的物理意义飞行原理/CAFUC212LLCVS飞机的升力与升力系数、来流动压和机翼面积成正比。升力系数综合的表达了机翼形状、迎角等对飞机升力的影响。升力重力拉力阻力LiftPullWeightDrag升力垂直于飞行速度方向，它将飞机支托在空中，克服飞机受到的重力影响，使其自由翱翔。迎角迎角就是相对气流方向与翼弦之间的夹角。●相对气流方向就是飞机速度的反方向●相对气流方向是判断迎角大小的依据平飞中，可以通过机头高低判断迎角大小。而其他飞行状态中，则不可以采用这种判断方式。●水平飞行、上升、下降时的迎角上升平飞下降阻力是与飞机运动轨迹平行，与飞行速度方向相反的力。阻力阻碍飞机的飞行，但没有阻力飞机又无法稳定飞行。升力重力拉力阻力LiftPullWeightDrag第四节阻力●阻力的分类对于低速飞机，根据阻力的形成原因，可将阻力分为：•摩擦阻力(SkinFrictionDrag)•压差阻力(FormDrag)•干扰阻力(InterferenceDrag)•诱导阻力(InducedDrag)废阻力(ParasiteDrag)升力粘性一、摩擦阻力由于紧贴飞机表面的空气受到阻碍作用而流速降低到零，根据作用力与反作用力定律，飞机必然受到空气的反作用。这个反作用力与飞行方向相反，称为摩擦阻力。附面层附面层分为层流附面层和紊流附面层，层流在前，紊流在后。层流与紊流之间的过渡区称为转捩点。转捩点层流附面层紊流附面层●影响摩擦阻力的因素紊流附面层的摩擦阻力比层流附面层的大。飞机的表面积越大，摩擦阻力越大。飞机表面越粗糙，摩擦阻力越大。摩擦阻力的大小与附面层的类型密切相关，此外还取决于空气与飞机的接触面积和飞机的表面状况。●摩擦阻力在飞机总阻力构成中占的比例较大摩擦阻力占总阻力的比例超音速战斗机25-30%大型运输机40%小型公务机50%水下物体70%船舶90%二、压差阻力压差阻力是由处于流动空气中的物体的前后的压力差，导致气流附面层分离，从而产生的阻力。压差阻力的产生气流流过机翼后，在机翼的后缘部分产生附面层分离形成涡流区，压强降低；而在机翼前缘部分，气流受阻压强增大，这样机翼前后缘就产生了压力差，从而使机翼产生压差阻力。●影响压差阻力的因素总的来说，飞机压差阻力与迎风面积、形状和迎角有关。迎风面积大，压差阻力大。迎角越大，压差阻力也越大。压差阻力在飞机总阻力构成中所占比例较小。三、干扰阻力飞机的各个部件，如机翼、机身、尾翼的单独阻力之和小于把它们组合成一个整体所产生的阻力，这种由于各部件气流之间的相互干扰而产生的额外阻力，称为干扰阻力。●干扰阻力的消除干扰阻力在飞机总阻力中所占比例较小。飞机各部件之间的平滑过渡和整流蒙皮，可以有效地减小干扰阻力的大小。四、诱导阻力由于翼尖涡的诱导，导致气流下洗，在平行于相对气流方向出现阻碍飞机前进的力，这就是诱导阻力。I.翼尖涡的形成正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面。这样形成的漩涡流称为翼尖涡。（注意旋转方向）正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面，就使下翼面的流线由机翼的翼根向翼尖倾斜，上翼面反之。I.翼尖涡的形成I.翼尖涡的形成由于上、下翼面气流在后缘处具有不同的流向，于是就形成旋涡，并在翼尖卷成翼尖涡，翼尖涡向后流即形成翼尖涡流。●翼尖涡的立体形态●翼尖涡的形态II.下洗流（DownWash）和下洗角由于两个翼尖涡的存在，会导致在翼展范围内出现一个向下的诱导速度场，称为下洗。在亚音速范围内，这下洗速度场会覆盖整个飞机所处空间范围。III.诱导阻力的产生有限展长机翼与无限展长机翼相比，由于前者存在翼尖涡和下洗速度场，导致前者的总空气动力较后者更加后斜，即前者总空气动力沿飞行速度方向（即远前方相对气流方向）的分量较后者更大。这一增加的阻力即为诱导阻力。LL’D●影响诱导阻力的因素机翼平面形状：椭圆形机翼的诱导阻力最小。展弦比越大，诱导阻力越小升力越大，诱导阻力越大平直飞行中，诱导阻力与飞行速度平方成反比翼梢小翼可以减小诱导阻力低展弦比使翼尖涡变强，诱导阻力增加。高展弦比使翼尖涡减弱，诱导阻力变小。●展弦比对诱导阻力的影响●展弦比对诱导阻力的影响机翼展弦比倒数诱导阻力系数减少的百分比升力系数不变●高展弦比航空器●空速大小对诱导阻力大小的影响阻力诱导阻力空速空速小，下洗角大，诱导阻力大空速大，下洗角小，诱导阻力小●翼梢小翼●翼梢小翼●翼梢小翼可以减小诱导阻力●翼梢小翼可以减小诱导阻力翼梢小翼改变了机翼沿展向分布的翼载荷。五、阻力公式—飞机的阻力系数DC212V—飞机的飞行动压S—机翼的面积。212DDCvS六、升阻比升阻比是指飞行器在飞行过程中，在同一迎角的升力与阻力（也即升力系数与阻力系数）的比值。LClK=--------=---------DCd其值与飞行器迎角有关，此值愈大说明飞行器的空气动力性能愈好。第二章第页84●回顾阻力组成•摩擦阻力(SkinFrictionDrag)•压差阻力(FormDrag)•干扰阻力(InterferenceDrag)•诱导阻力(InducedDrag)废阻力(ParasiteDrag)●总空气动力升力和阻力之和称为总空气动力。