航空航天概论-第二章

1第二章飞行环境及飞行原理基本概念与基本定理升力的产生机理与增生措施阻力的产生及减阻措施飞机的气动外形飞机的飞行性能飞机的稳定性与操纵性及其影响因素航天器飞行原理22.1飞行环境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。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。（0～18公里）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。（18～50公里）3、中间层：中间层为离地球50到80公里的一层。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.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，温度又随高度增加而上升。（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。3大气对流层4空间环境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。（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）。5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。目前我国所采用的国际标准大气，是一种“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。67大气的物理性质1、大气的状态参数和状态方程大气的状态参数是指压强P、温度T和密度这三个参数。它们之间的关系可以用气体状态方程表示，即P=ρRT。航空器在空中的飞行必须具备动力装置产生推力或拉力来克服前进的阻力。根据产生升力的基本原理不同，航空器分为轻于(或等于)同体积空气的航空器和重于同体积空气的航空器两大类。8大气的物理性质2、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。这就是在空气动力学研究中常说的连续性假设。9大气的物理性质3、粘性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，也叫做大气的内摩擦力。粘性与摩擦阻力大气流过物体时产生的摩擦阻力是与大气的粘性有关系的。因此飞机飞行时所产生的摩擦阻力与大气的粘性也有很大关系。理想流体通常把不考虑粘性的流体（即流体内摩擦系数趋于零的流体）称为理想流体或无粘流体10大气的物理性质4、可压缩性流体是气体（如空气）和液体（如水）的统称。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。但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。11（水和空气的压缩性不同）一般认为液体是不可压缩的，气体是可压缩的12大气的物理性质5、声速声速是指声波在物体中传播的速度。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）。13大气的物理性质6、马赫数马赫数Ma的定义为式中v表示在一定高度下飞行器的飞行速度，a则表示该处的声速。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。vMaa14Ma与飞行器飞行速度的关系Ma0.4,为低速飞行；0.4Ma0.85,为亚声速飞行；0.85Ma1.3,为跨声速飞行；1.3Ma5.0,为超声速飞行；Ma5.0，为高超声速飞行。15流动气体的基本规律相对运动原理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。这就是飞机相对运动原理。16流动气体的基本规律质量守恒与连续方程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。17流动气体的基本规律质量守恒与连续方程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（该式成为不可压缩流体沿管道流动的连续性方程）18应用实例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。19伯努利方程(Bernoulli’sequation)DanielBernoulli(Groningen,8February1700–Basel,8March1782)wasaDutch-SwissmathematicianandwasoneofthemanyprominentmathematiciansintheBernoullifamily.Heisparticularlyrememberedforhisapplicationsofmathematicstomechanics,especiallyfluidmechanics,andforhispioneeringworkinprobabilityandstatistics.Bernoulli'sworkisstillstudiedatlengthbymanyschoolsofsciencethroughouttheworld.(1700-1782)20伯努利方程(Bernoulli’sequation)外力作用于流体的功222111vAPvAPW不可压缩流体质量守恒系统能量的变化VPPW)(21WmvmghmvmghEEE)2/1(2/121122212Vm/21伯努利方程由能量守恒定理描述流体流速与压强之间的关系。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，代表动压，则任意截面处便有212v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。22伯努利方程23伯努利方程由连续性定理和伯努利方程可知，流体在变截面管道中流动时，凡是截面积小的地方，流速就大，压强就小；凡是截面积大的地方，流速就小，压强就大。两船为何自动靠近？房顶为何被掀翻？24低速气流的流动特点当管道收缩时,气流速度将增加，压力将减小；当管道扩张时,气流速度将减小，压力将增加。25高速气流的流动特点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。262.3飞机上的空气动力作用及原理1、什么是翼型“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。272.3飞机上的空气动力作用及原理2、什么是翼弦和迎角翼型最前端的点叫“前缘”，最后端的点叫“后缘”。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。282.3飞机上的空气动力作用及原理3、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。2930影响飞机升力的因素机翼面积的影响机翼面积越大，则产生的升力就越大。相对速度的影响相对速度越大，机翼产生的升力就越大。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。机翼剖面形状和翼迎角的影响机翼上产生升力的大小与机翼剖面形状有很大关系。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。31升力公式翼型和迎角对升力的影响可以通过升力系数Cy表现出来。总结以上因素的影响，升力的公式可写成2y1Y=C2VS32增升装置飞机的增生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生装置叫后缘襟翼。B-74733增升措施适当增大迎角；改变机翼剖面形状，增大机翼弯度；增大机翼面积；控制机翼上的附面层，延缓气流分离。34飞机阻力的产生及减阻措施1、摩擦阻力摩擦阻力是由于大气的粘性而产生的。当气流以一定速度流过飞机表面时，由于气流的粘性作用。空气微团与飞机表面发生摩擦，阻滞了气流的流动，因此产生了摩擦阻力。减小摩擦阻力的措施摩擦阻力的大小取决于空气的粘性，飞机表面的粗糙程度和飞机的表面积大小等因素。为了减小摩擦阻力，应在这些方面采取必要的措施。35飞机阻力的产生及减阻措施2、压差阻力在翼型前后由于压强差所产生的阻力称为压差阻力。减小压差阻力的办法是应尽量减小飞机的最大迎风面积，并对飞机各部件进行整流，做成流线形。36飞机阻力的产生及减阻措施3、诱导阻力诱导阻力是伴随着升力而产生的，这个由升力诱导而产生的阻力叫诱导阻力。气流经过翼型而产生向下的速度，称为下洗速度，该速度与升力方向相反，是产生诱导阻力的直接原因。诱导阻力与机翼的平面形状、翼剖面形状、展弦比等有关。可以通过选择适当的平面形状（如梯形机翼）、增加翼梢小翼等方法来减小诱导阻力。3738飞机阻力的产生及减阻措施4、干扰阻力干扰阻力就是飞机各部件组合到一起后由于气流的相对干扰而产生的一种额外阻力。干扰阻力和气流不同部件之间的相对位置有关，因此在设计时要妥善考虑和安排各部件相对位置，必要时在这些部件之间加装整流罩，使连接处圆滑过渡，尽量减少部件之间的相互干扰。392.4高速飞机的特点弱扰动波的传播40激波激波实际上是受到强烈压缩的一层空气，其厚度很小。激波前后的物理特性发生了突变，由于空气受到强烈压缩，波面之后的空气压强突然增大，由高速气流的流动特点知气流速度会大大降低（减速、增压）4142正激波和斜激波正激波是指其波面与气流方向接近于垂直的激波，正激波是最强的激波。斜激波是指波面沿气流方向倾斜的激波，激波相对较弱。激波的强弱与物体的形状有很大关系，一般来说，物体头部越钝激波越强(正激波)，波阻也大；头部越尖时，激波越弱(斜激波)阻也小。这就是超音速飞机为什么采用尖机头、后掠翼的缘故。43临界马赫数根据流体的连续性方程，当气流从A点流过机翼时由于机翼上表面凸起使流管收缩，气流在这里速度增加；当气流流到机翼最高点C时，流速增加到最大。当C点马赫数为1时，A点马赫数称为临界马赫数。44飞机几何外形和参数飞机的几何外形主要由机身、机翼和尾翼等主要部件的外形共同来组成。机翼几何外形可分为机翼平面形状和翼剖面形状。机翼平面形状主要包括翼展、前缘后掠角等。45机翼的剖面形状圆头尖尾尖头尖尾对称翼型非对称翼型菱形翼型平板翼型弯板翼型46机翼几何参数翼展b：机翼左右翼梢之间的最大横向距离。翼弦：翼型前缘点和后缘点之间的连线。(c0翼根弦长，c1翼梢弦长)前缘后掠角：机翼前缘线与垂直于翼根对称平面的直线之间的夹角。0047机翼几何参数SbcbApj201()/2pjccc展弦比梢根比几何平均弦长翼型相对厚度ctt01cc48飞机的气动布局飞机的气动布局是指飞机主要部件的数量以及它们之间的相互安排和配置。不同的布局形式，将对飞机的飞行性能、稳定性和操纵性有重大影响。狭义的飞机纵向气动布局指机翼的布置形式，分正常式、鸭式和无尾式。495051525354555657正常式－我国的FC-1枭龙歼击机58变后掠－俄罗斯图22逆火战略轰炸机59变后掠－美国F14雄猫舰载歼击机60变后掠－北约狂风战斗轰炸机61无尾式无尾布局的最大优点是高速飞行时性能优异，大家可以想象一下，无尾布局是最接近飞镖、导弹、火箭的气动布局，航天飞机采用的也是无尾布局，因为这是最适合高