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航空知识手册之十一:飞机升力与失速 升(shēng)力(lì)的来(lái)源

 

升力的来(lái)源

在机翼上,压力最高的点也就(jiù)是所谓的(de)驻点,在驻点(diǎn)处(chù)是空气与前缘相遇的地(dì)方。空气相对于机翼的速度减小(xiǎo)到零,由伯努利定理知(zhī)道这是压力最大的点。上翼面(miàn)和下翼面(miàn)的空气必(bì)须(xū)从这个点(diǎn)由(yóu)静(jìng)止加速离开。在一个(gè)迎角为(wéi)零、完全(quán)对(duì)称的(de)机翼(yì)上,从驻点开始,流经上下边面的(de)气流速度是(shì)相同的,所以上下边(biān)面的压(yā)力(lì)变(biàn)化也是完全相同的。这(zhè)和在狭长截面的文氏(shì)管中(zhōng)的流(liú)动是相似的(de),在流速达(dá)到最大(dà)的点,其压(yā)力达到最低。在这个最(zuì)低压力点之后,两个表(biǎo)面的流速同时降低。空气最终必定要回到主(zhǔ)来流(liú)当中,压力(lì)也恢复正常。由于上下表面(miàn)的速度和压力特性是(shì)相同的,所以这种状态的机翼不会产生升(shēng)力。

如果(guǒ)对(duì)称机翼相对(duì)来流(liú)旋转了一个(gè)迎角,驻点就会稍稍向前缘的下(xià)表面移动,并且(qiě)流经上下表面的空气流动情况也(yě)发(fā)生了改变,流经上表面(miàn)的空气被迫夺走了一段(duàn)距离,在上下(xià)表面,空气(qì)仍然有一个从驻点加速离开的过程,但是下(xià)表面的最高速度要小于表面的最高速度。

在(zài)某些(xiē)集(jí)合迎角为父的位置(zhì)上,上下(xià)表面的平均压力是可(kě)能相等的,因此(cǐ)有弯度翼型存在一个零(líng)升迎角,这是翼型的气动力零点。尽管在这个(gè)迎角下没有产生升(shēng)力(lì),但由于翼型弯度的存(cún)在,上下面的流动特征是不一样的。因(yīn)此,尽管上下表面没有(yǒu)平均压力差,在翼表面上(shàng)却(què)会(huì)产(chǎn)生不平衡并导致俯仰力矩的(de)产生,这(zhè)个力矩在飞(fēi)行器配平(píng)中非常重要。

升(shēng)力系(xì)数(shù)有(yǒu)一个非常明确的极(jí)限(xiàn)值。如果迎角太大或是(shì)弯度增(zēng)加(jiā)太多的话,流线就会(huì)被破坏并且流动从机翼上分离。分(fèn)离剧烈(liè)地改变了上下表(biǎo)面的压(yā)力差,升力(lì)被(bèi)大幅度降(jiàng)低,机(jī)翼处于失速状态。

气流分离在小范围内是一种普遍(biàn)现象。。在(zài)上表(biǎo)面,流动可(kě)能在后缘前某个地方就(jiù)分离了,气流在(zài)上下(xià)表面都可能分(fèn)离,但是有(yǒu)可能再附着(zhe)。这就是所谓(wèi)的“气泡(pào)分离”

阻(zǔ)力(lì)和升阻比

翼型阻力

形(xíng)状阻力(lì)(型阻)或压差阻(zǔ)力(lì)是(shì)由于气流的经(jīng)过,物体(tǐ)周围压力分布不同(tóng)而造成的阻力(lì),而蒙皮摩擦阻力或粘性阻(zǔ)力是(shì)由于(yú)空气和飞行(háng)器表面接触产生的。将(jiāng)这(zhè)些阻力分(fèn)类(lèi)是非常(cháng)有用的(de),这些阻力(lì)很很显然是同时产生的。

蒙皮摩阻(zǔ)和(hé)行阻之(zhī)间的关系(xì)非(fēi)常密切(qiē):一个会影响另外一个。举例来说,蒙皮摩阻很大(dà)程度上是由气流(liú)的速度决(jué)定的,而流向后方的流体的(de)速度是由物(wù)体的外形来(lái)决(jué)定的。因此,特别(bié)是在考虑翼型时,型(xíng)阻和(hé)摩阻通常(cháng)放到一起考虑并用(yòng)一(yī)个(gè)新的名词重新命(mìng)名(míng)——翼型阻(zǔ)力,经常也(yě)称型面阻力。与诱导阻力相比(bǐ),蒙(méng)皮摩阻和行阻(zǔ)都(dōu)直接与速度的平方(fāng)成正比(bǐ)。所以(yǐ),当速(sù)度增加而诱导阻力减少时(shí),型阻(zǔ)和蒙皮(pí)摩擦增加,反之亦然。

涡阻力

诱导阻力现在(zài)更多地被称为涡诱导阻(zǔ)力,简称涡阻力或涡阻(zǔ)。因为(wéi)它(tā)是与从机翼(yì)翼尖或者任意表面拖出(chū)的涡联系在一起(qǐ)的,而(ér)这(zhè)些涡产生了升力。涡的(de)出现是直接跟(gēn)升力联系在一起的:给定(dìng)机翼的升力系数越(yuè)高(gāo),涡的影响也越(yuè)明显。

总阻力

飞行器在每个(gè)速度下的总阻力由(yóu)总的涡阻力和所(suǒ)有其他的阻力组(zǔ)成。在涡阻力等于(yú)其他阻力和的地方(fāng),阻力达到最(zuì)小值。由于在给定(dìng)飞行器质量的水平飞行中,升(shēng)力是个常数,在(zài)曲(qǔ)线上最小阻力点处就是飞行器的最(zuì)大升阻比出(chū)现的位置。一个滑翔(xiáng)机的极曲线的形状与这条曲线密切相(xiàng)关,比(bǐ)如,用下沉速(sù)度(dù)比平飞速度(dù)而不是用总阻力系数(shù)比总升力系数(shù)。

失速

只要机翼(yì)产生的升力足够抵消飞行器的总(zǒng)载荷,飞行就会一直飞行。当(dāng)升力(lì)急剧下降时,飞机就失速。

记住,每次失速的直接原因是迎(yíng)角过大(dà)。有很(hěn)多飞行机动会增加飞机的迎角,但是直到迎角过大之前飞机不会失速(sù)。

在(zài)三(sān)种情况(kuàng)下会超过临(lín)界迎角:低速飞行、高速(sù)飞行和转弯飞行。

飞机在平直飞行时如果飞得太慢也会(huì)失速(sù)。空速降低(dī)时,必须(xū)增加(jiā)迎角来获得维(wéi)持高速(sù)所需要的升力。空速越低,必须增加更大的迎角。最终,达到一(yī)个(gè)迎角,它(tā)会导致机翼不能产生足够的(de)升(shēng)力维持飞机,飞(fēi)机开(kāi)始下降。如(rú)果空(kōng)速进一步降(jiàng)低,飞行就会(huì)失(shī)速,由(yóu)于迎角已经超出临界迎角,机(jī)翼上的气流被打乱(luàn)了(变成了(le)紊流)。

高速(sù)飞行中(zhōng)的失速

展弦比(bǐ)

展弦比,为飞机(jī)空气动力学的专有(yǒu)名词(cí),是翼展(zhǎn)长度与平均气动弦长的壁纸(zhǐ)。无人机在设(shè)计(jì)时需要根据任务需求选(xuǎn)择(zé)展弦(xián)比。

地面效应

地面效应也称(chēng)为翼地(dì)效应或翼面(miàn)效应,是一种使飞行(háng)器诱导(dǎo)阻(zǔ)力减小,同时(shí)能获得(dé)比空(kōng)中(zhōng)飞行更高升阻比的流体力学(xué)效应。

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