Cattle 学航模，每天一点航模知识（2）

飞机为什么能够飞起来？

生活中，不难见到这样的现象：轻轻的羽毛、小纸片、甚至大到瓦片，汽车，能够被风吹上天。而像安225那样大的飞机，起飞重量达几百吨的庞然大物，居然也能飞起来，这在一般人看来真是令人惊叹！

那么，飞机是怎么飞起来的？

首先，飞机的升空，靠的是空气动力，它和气球或气球类的飞艇靠空气浮力升空不同。气球和飞艇是由于其中的气体与空气的比重不同，比空气的比重小，受到空气向上的浮力升起来。但飞机的比重比空气大的多，相比飞机空气的密度如此之小，仅能提供非常小的浮力，静止的飞机是不能飞起来的。然而，如果飞机在空气中推进，只有它达到一定的速度和其他条件才能飞离地面，即使是直升机，靠的也是空气动力，依靠它是旋翼旋转到一定的转速，达到一定的升力后，才能升空。

飞机”动起来”,或由静止变为运动，此刻就失去了平衡状态，飞机与空气有了一个相对的速度。羽毛在没有风的情况下也是很难飞起来的（除去其他外界受力情况）。那么羽毛飞起来也是依靠外界的风吹动，此刻风给羽毛提供了一个外力，此刻羽毛与空气有了一个相对速度。

由此，我们想，一个物体所受的空气动力，物体运动，空气静止和物体静止空气以一定的速度流动，是有一定的关联的。大家也可以想象下相对的理论，作下假设。基于此，为了更好的、方便研究空气动力学等，科学家们研究了风洞。

科学家用风洞，使空气在风洞中以一定的速度流动，把物体置于风洞中固定。再去测量物体的受力情况等。

好了，有了这样的了解之后，我们借助一个实验来说明：飞机是怎么飞起来的？

如上图所示，将任意形状的物体置于以速度为V的均匀流动空气的风洞中，它的受力 一般不会与空气的流速方向一致（除非物体和流场是完全对来流的方向对称），我们先将这个力记为F，这个力分解为与空气流动速度一致的，我们称为阻力的FD,和与来流垂直的，我们称为升力FL。从直觉来看，F的大小和方向取决于空气的流速与物体的形状它相对于流动速度的姿态。飞机能够飞起来，根本上来说，就是靠这个升力FL。于是，人们就想办法寻找升力与阻力的关系，寻找怎样的物体外形和相对来流合适的角度。

有个英国科学家乔治.凯利的人利用悬臂机，研究了平板的升力和阻力，利用这个装置他得到了最早的关于升力和速度方面的数据。初步结果为：平板的升力与面积成正比、与迎角成正比、与速度的平方成正比。他在研究中还发现流线型对减小阻力的重要性。后来又经过科学家的大量研究及改进，得到平板的升力在小攻角的情形下可以用表达式：

这里，ρ为空气密度，α为平板与来来流的夹角，也称为攻角，A是平板面积，V是相对运动速度，C是升力系数。

 

（科学家们为此编制了翼型的数据手册，供大家查询和研究。）

后来，在凯利逝世半个世纪后，美国的莱特兄弟利用凯利等人的研究结果，自己设计了风洞，进行了数以百计的机翼剖面形状选择，在1903年终于实现了载人飞行。后来航空学家称凯利为航空之父。

回过头来，我们再看下这个公式，说明升力与速度的平方成正比。这也是为什么几乎所有的固定翼飞机都需要长长的跑到（矢量飞机除外）。飞机在跑到上加速，达到一定的速度后，机翼上产生足够支持飞机重量的升力，最后才能飞起来。

结合公式，机翼的升力大小与机翼和风之间的倾角也有关。由机翼产生的升力随着夹角的增加而增大，有意思的是，升力在夹角介于10°15°区间内某种程度的呈线性增长。对于很多机翼而言，即使当攻角为0°，机翼依然会产生一定的升力。但随着攻角的继续增大，科学家发现，当攻角达到一定之后，机翼表面的气流出现紊乱，升力系数开始下降，这种情况称为失速。如果攻角继续增大，升力将降低到非常小的值，飞机将快速降低高度。这种情况是非常危险的。

这里再着重说明几点：

Ø  失速取决于攻角而不是空速；

Ø  对于大多数机翼来说，在局里攻角max几度前，曲线的斜率几乎保持恒定上升；

Ø  对于超过攻角max的较大攻角，其升力曲线的真实特性难以确定，部分特性通过模型在风洞中研究，但非线性气动力特性不服从解析求解法；

Ø  攻角的值可为正也可为负，特别在倒飞的情况下。。

Ø  关于升力曲线的研究假设是机翼外形保持不变。

 

纯粹由理论来计算机翼的升力和阻力仍然有较大的困难，实验、模拟仍然是测量升力和阻力的手段。

最后，说明下网友的一些问题及一些误解的地方。

有种说法是：“因为飞机机翼切面上方凸起，下方较平，空气流线被机翼切面分成两部分，空气从机翼上方通过的距离较长，下方通过的距离较短，因而使得机翼上下的空气流速不同，即上边的流速大下边小，根据流体力学伯努利定律：机翼上下表面的压强也不同，即上面气压小，下面气压大，因此在机翼的上下方形成压力差才使飞机飞起来“，这种说法可以简称为”升力的伯努利学说“。

    其实，伯努利本人可没说过飞机是靠这个原理飞起来的。但现在，流行这种让飞机飞起来原因的伯努利学说占了不少数，甚至影响很大。“机翼上表面压强低，下表面压强低“，这个说的没错，引用伯努利定律也没问题，但是说”由于上表面长，所以速度快“，这个论点是站不住脚的。

   为什么路径长就快，短就慢？其中隐藏了一个论断，就是同时到达机翼前缘的两个流体质点，一个走机翼上边，一个走机翼下边，他们会在机翼的后缘同时到达相会。只有在分离与相会的同时性的前提下，才会推出机翼上边的流速必然大的结论。不幸的是，这种同时性的原则是不存在的，

   其次，这种解释还忽略了一个重要的事实，就是机翼的姿态或者说机翼对来流的相对角度对升力的影响。按照这种说法就无法解释在飞机做特技飞行时，飞机可以上下颠倒飞行，就是说机翼上下颠倒后，机翼的升力仍然向上。

   有空大家可以看看《实用航空技术一书》，看看解释飞机是如何飞起来的。

 

  好了，最后我们再说下机翼的升力问题。

飞机在定常飞行，有一个作用力向下的重力，需要一个向上的力才能保持在空中飞行。这个力由什么给出的呢？牛顿定律告诉我们空气的运动会产生力，也就是说需要有空气向下加速度的运动，才能产生向上的反力。根据牛顿第二定律，飞机所以能够飞行，是由于空气经过机翼时，产生了方向变化具有了向下的加速度。从这个意义来说，机翼实际是飞行过程中的“导流片“，这就是机翼的作用，机翼改变气流方向的能量越强，它的升力（阻力）性能体现越明显。

这里带来了一个新的问题：既然流体经过机翼时具有向下的加速度，那么这使机翼的上边压强会降低，于是飞机两侧的空气会流向飞机的上边，这就会在飞机后面形成两个大的尾涡。

    

下面，我们再来看看“伯努利说“，由于伯努利定律可以看作是理想气体的推论，它并没有考虑流体的粘性，所以单纯从伯努利定律来解释机翼的升力问题是有问题的。

关于机翼升力的问题，还有很多需要探讨的。限于篇幅，我们将会在后面继续探讨。

注：图片来源于网络

Cattle  2014.12.8