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航(háng)空知识(shí)手册之十一(yī):飞(fēi)机(jī)升力(lì)与失速 升力的来源(yuán)

 

升力的来源(yuán)

在机翼上,压力最高的点也(yě)就是所谓(wèi)的(de)驻点,在驻点处是(shì)空气与(yǔ)前缘(yuán)相遇的地(dì)方。空气相对于机翼的速度(dù)减小到零,由伯努(nǔ)利(lì)定(dìng)理知道这是压力最大的点。上翼面和下翼面的空气必须从(cóng)这个点由静止(zhǐ)加(jiā)速离开。在一(yī)个迎角为零、完全对(duì)称的机翼上,从驻点开始,流经上下边(biān)面的气(qì)流速度是相(xiàng)同的,所(suǒ)以(yǐ)上下边(biān)面的压(yā)力变化也是完全(quán)相同(tóng)的。这和在狭长截(jié)面的文氏管(guǎn)中(zhōng)的流动(dòng)是相似(sì)的,在流速达到最大(dà)的(de)点,其压力(lì)达到最低。在这个最低压力点之后(hòu),两个表面的流(liú)速同时降低。空气最终必定要回到主来(lái)流当中,压(yā)力也恢复正常。由于上下表面的速(sù)度和压力特性是(shì)相同(tóng)的,所以这种状态的机翼不会产生升力(lì)。

如果对称机翼相对来(lái)流旋转了一(yī)个迎角,驻点就会稍稍向前缘(yuán)的下表面移动,并且流(liú)经上下表面(miàn)的空气流动情(qíng)况也发生了改(gǎi)变(biàn),流经上表面(miàn)的空(kōng)气被(bèi)迫(pò)夺(duó)走(zǒu)了(le)一段距(jù)离(lí),在上(shàng)下表面,空气仍然有(yǒu)一(yī)个从驻点加(jiā)速离开的过程,但是下(xià)表面的(de)最高速度要小于表面的最(zuì)高速度(dù)。

在某些集合迎角(jiǎo)为(wéi)父的位置上,上下表(biǎo)面的平均压(yā)力是(shì)可能相等的,因此有弯度翼型存在一个零升迎角,这是翼型的气动力(lì)零(líng)点。尽管在这个迎角下没有产生升力,但由(yóu)于翼型弯度(dù)的存在,上下面的流动特征是不一样的(de)。因此,尽管上下表面没(méi)有平(píng)均压力差,在(zài)翼表面上却会产生(shēng)不平衡并导致俯仰力矩的产生,这个力矩(jǔ)在飞行器配平(píng)中非常重要。

升力系数有一个非常(cháng)明确的极限(xiàn)值(zhí)。如果(guǒ)迎角太大(dà)或是(shì)弯度增加太多的话(huà),流(liú)线就会被破(pò)坏并(bìng)且流动从机翼上分离。分(fèn)离(lí)剧烈地改变了上下表面的压力差,升力被大幅度降低,机(jī)翼处(chù)于失速状态。

气流分离在小范围内是一种(zhǒng)普遍现象。。在上表面,流动可能在后缘前某个(gè)地方就分(fèn)离了,气流在(zài)上下表面都可能分(fèn)离,但是(shì)有可能再附着。这就是所(suǒ)谓的“气泡分离”

阻力和升阻比

翼型阻力(lì)

形(xíng)状(zhuàng)阻力(型(xíng)阻)或压差(chà)阻力是由于气流的经过,物(wù)体周围(wéi)压力分布不同而造成的阻力,而(ér)蒙皮(pí)摩擦阻(zǔ)力或粘(zhān)性阻力是由于空(kōng)气(qì)和飞行器表面接触产生的。将这些阻力分类是非(fēi)常有用的,这(zhè)些阻力很很显然(rán)是同时产生(shēng)的。

蒙皮摩(mó)阻和行阻之间的关系非(fēi)常(cháng)密切:一个会(huì)影响(xiǎng)另外一个。举例(lì)来说,蒙皮摩(mó)阻很(hěn)大程度(dù)上是由(yóu)气流的速度决定的,而流向后方的流(liú)体的速度(dù)是由物体的外形(xíng)来决(jué)定(dìng)的。因此(cǐ),特别是在考虑翼型时,型阻和摩阻(zǔ)通常放到(dào)一(yī)起考虑(lǜ)并用一个新的名(míng)词重新命名——翼型阻力,经常也称型面阻力。与(yǔ)诱导阻力相比,蒙(méng)皮摩(mó)阻和行阻(zǔ)都(dōu)直接与速度(dù)的平方(fāng)成正比(bǐ)。所以,当速度增加而诱(yòu)导阻力减少时(shí),型阻和蒙(méng)皮摩擦增(zēng)加,反之亦(yì)然。

涡阻力

诱导阻力现在更多地(dì)被称(chēng)为涡诱(yòu)导阻力,简称涡阻力(lì)或涡阻。因为它(tā)是与从机翼翼尖或者任意表面拖出(chū)的涡联(lián)系在一起的,而这些涡产生了升(shēng)力。涡的出(chū)现是(shì)直接(jiē)跟升(shēng)力(lì)联系在一起的:给定机翼的升力(lì)系数越高(gāo),涡的影响(xiǎng)也越(yuè)明显。

总阻力

飞行器在每个速度下的总阻力由(yóu)总的涡(wō)阻(zǔ)力和所有(yǒu)其(qí)他的阻力组成。在涡阻力(lì)等于其他阻力和的地方(fāng),阻力(lì)达到最小值。由于在给定飞(fēi)行器质(zhì)量的水平飞行中,升力是个常(cháng)数,在曲线上(shàng)最小(xiǎo)阻力点处就是(shì)飞行器的最大升(shēng)阻比出(chū)现的位置(zhì)。一个滑(huá)翔机的(de)极(jí)曲线的形(xíng)状与这条曲线密切相关,比如(rú),用下沉(chén)速度比平飞速(sù)度而不是用总阻力系数(shù)比总升力系数。

失速

只要机翼产生的升力足(zú)够(gòu)抵(dǐ)消(xiāo)飞(fēi)行器的总载荷(hé),飞行就会一(yī)直飞行。当升力急剧下降时,飞(fēi)机就失速。

记(jì)住,每次失速的直接原因是迎角过大。有很多飞行机动会增加飞机(jī)的迎(yíng)角,但是直到迎角(jiǎo)过大之前飞机不会失速。

在(zài)三(sān)种情况(kuàng)下会超过(guò)临界迎角:低速飞行(háng)、高速飞行(háng)和(hé)转弯飞行。

飞(fēi)机在平直(zhí)飞行时如果飞(fēi)得太慢也会失速。空速降低(dī)时,必须增(zēng)加迎角(jiǎo)来获得维持高速(sù)所需要的升(shēng)力。空速越低,必须增加更大的迎角。最终,达到一个迎(yíng)角(jiǎo),它会(huì)导致机翼(yì)不能产生足够(gòu)的(de)升力(lì)维持(chí)飞机,飞(fēi)机开始下降。如果空(kōng)速进(jìn)一步降低,飞行就会失速,由于迎角(jiǎo)已经超出临界迎角,机翼上的气流被打乱了(变成(chéng)了紊流)。

高速飞行中的失(shī)速

展弦比

展弦比(bǐ),为飞(fēi)机空气动力学的专有名词(cí),是翼展长度与(yǔ)平均气动弦长的壁纸(zhǐ)。无人(rén)机在设计时需要根据(jù)任(rèn)务需求选择(zé)展弦比。

地面效应

地面效(xiào)应也称为翼地(dì)效应(yīng)或翼面效应(yīng),是一种使飞行器诱导(dǎo)阻力减小,同时能获得比空中飞行更高升阻比的流体力学效应。

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