飞机飞行中的力学问题的简单分析.ppt

飞机飞行中的力学问题的简单分析 征服天空之翼 作者 桑子儒PB04203228 一 升力1 升力理论2 翼型3 襟翼二 阻力1 摩擦阻力2 压差阻力3 诱导阻力4 干扰阻力三 失速 机翼的升力 牛顿是第一个给出了运动物体的阻力表达式 后人推导出了倾斜平板在气流中受到阻力的公式 按他的理论 如果认为这个阻力的垂直分量代表空气的升力的话 那么这个升力值含有一个迎角正弦的平方项 按照这个理论 一个物体只有面积为无限大才能产生足够的升力 这意味着宣判了飞机的死刑 有人说 牛顿对人类飞机提出了悲观的论调 1783年 瑞士著名科学家D Bernoulli建立了著名的伯努力定律 随着流体流速的增加 其压力减小 它对于解释机翼的升力是相当有效的 具有上凸表面的翼型在空气中运动时 上表面速度较大 下表面速度较小 上下表面的气流对机翼产生的压力不同 这个压力差就是气流产生的向上的升力 流体力学的发展否定了牛顿的升力是阻力垂直分量的理论 1894年 英国工程师及航空先驱者F Lanchester建立了机翼环流理论 对于弯曲的机翼翼面 当受到来流作用时相当于前缘有一个逆风 后缘有一个顺风 由于上下流动都不能发生积累现象因此结果是产生一个环流导致上表面产生一个低压 下表面产生一个高压 这个压力差就是升力 库塔 茹科夫斯基条件 机翼后缘形成的起动涡在逐渐增大的过程中离开机翼 当他离开机翼很远处 这个环流达到最大值 亦即上下表面机翼后面很远处不在有流速的差别 使用库塔 茹科夫斯基条件可使升力的计算变成纯数学问题 使升力计算定量化 1918年 德国科学家L Prandtl建立了有限翼展的升力线理论 这一理论把以前各种思想和理论归纳起来 使机翼表述得到了简化 L Prandtl的理论解决了两类 一是升力沿翼展的分布 要求通过计算来确定线性速度的流线和实现这一升力所需能量 二是由一定的机翼几何形状 来确定升力沿翼展的分布 翼型 虽然飞机所用翼型的外型千差万别 但根据外型的特点一般可分为六种 1 平凸型2 对称型3 凹凸型5 S型4 双凸型6 特种型 平凸翼型它的下弧线是一条直线 中弧线的弯度要比双凸型大 最大升阻比也比双凸型大 对称翼型它的中弧线是一根与翼型弦线重合的直线 机翼上下弧是对称的 这种翼型的阻力系数比较小 但升阻比也较小 凹凸翼型它的下弧线向内凹入所以中弧线的弯度比平凸型要大 阻力也比较大 但能产生较大的升力 升阻比也较大 S型翼型它的中弧线像是横放的S型 S型机翼本身的力矩特性是安定的 双凸翼型它的上下弧线都是外凸的 但上弧线弯度要比下弧线大 所以中弧线是向上凸的 这种翼型的阻力要比对称型大 但可获得较大的升阻比 特种翼型特种翼型是为了满足某种性能指标或要求而设计的非同寻常的翼型 襟翼 襟易是装在机翼前缘或后缘的可动翼片 襟翼可改变剖面的形状 增加翼形弯度 襟翼可增加机翼的面积 襟翼能尽可能的保持层流流动 襟翼在环绕机翼的气流中 增加一股喷气气流 襟翼 几种襟翼的作用简介 前缘襟翼较小 增加升力的效果不明显 其作用主要是提高临界角 提高飞机的稳定性和安全性 开缝襟翼 特别是多缝襟翼结构比较复杂 重量大 因而主要用于大型飞机 它在增加升力的同时 也会使阻力大大增加 这对降低着陆速度 提高安全十分有利 富勒襟翼是在机翼安装的活动翼面 平时紧贴机翼下表面 使用时 按轨道下偏 使用富勒襟可以增加翼剖面的弯度 同时能大大增加机翼面积 增升效果非常明显 富勒襟的缺点之一是结构复杂 克鲁格襟翼位于机翼前缘 它的外形相当于机翼前缘的一部分 使用时克鲁格襟翼向前下方伸出 既改变了翼形 也增加了翼形的面积 因此增升效果也比较好 阻力 1 磨檫阻力2 压差阻力3 诱导阻力4 干扰阻力 摩擦阻力的大小和粘性影响的大小 物体表面光滑程度以及浸润面有关 另一方面 如果物体表面的边界层是层流边界层 空气粘性所引起的摩擦阻力就比较小 如果物体表面的边界层是紊流边界层 空气粘性所引起的摩擦阻力就比较大 摩擦阻力 压差阻力 驻点 驻点 假设空气没有粘性 如上图 实际空气有粘性 如上图 压差阻力是由于物体与空气相对运动时物体前后存在压力差所引起的 其根本原因是空气的粘性 压差阻力与物体的形状 它在气流中的姿态以及最大迎风面有关 流线产生的压差阻力较小 压差阻力也与物体表面的边界层状态有关 诱导阻力 在机翼翼尖处 流速小静压大的下翼面空气回绕过翼尖向流速大静压小的上翼面流动 于是在翼尖处形成一股涡流 它改变了翼尖附近流经机翼的气流方向 引起的阻力称诱导阻力 干扰阻力 飞机个部件之间相互影响所引起 整架飞机阻力与单独个部分阻力的总和的差值称为干扰阻力 涡流干扰 大雁人字或一字飞行 后一只雁的翅膀正好在前一只翅膀所形成的翼尖涡旋中 能产生助推作用 尾流干扰 任何突出在飞机表面的物体都产生压差阻力 由尾流产生 压力干扰 物体表面空气压力不均匀引起阻力 失速 机翼在空气中运动时产生的升力随机翼迎角增大而增大 当迎角增加到一定程度时 升力便不再随迎角增大而增大了 这时的迎角称为临界迎角 超过临界迎角后 再增加迎角升力反而急剧减小 出现失速现象 超过临界迎角 机翼迎角进一步增大 导致边界层的空气质点流过机翼上表面最高点不远处便开始分离 使机翼上表面充满旋涡 升力大为减少 而阻力迅速增加 然而 由普加乔夫驾驶苏 27战斗机创造的 普加乔夫眼镜蛇 动作飞行中 飞机先以400千米 小时的速度从跑道升起 然后猛地将机头拉起 一直向后仰 抬升到110 120 时 仍然保持平稳并可恢复到原来的飞行状态 无任何失速现象 操纵面仍然有效 它以和直立眼镜蛇一样的姿态朝前飞 当速度降到110千米 小时后 机头重新下压 恢复到平飞状态 谢谢