飞行员航空知识手册——固定翼飞行原理（2）

第二章 - 飞行原理

本次讨论飞行中支配作用于飞机上力的基本物理定律，以及用这些自然定律和力对飞机性能特性的影响。为了胜任控制飞机，飞行员必须理解其原理，学会抵制和利用这些自然力。

现代通用航空飞机可能会有相当高的性能特性。因此，飞行员要充分领会和理解飞行艺术所依赖的原理。

大气结构飞行所在的大气是环绕地球并贴近其表面的一层空气包层。它是地球相当重要的一个组成部分，就像海洋或者陆地一样。然而，空气不同于陆地和水是因为它是多种气体的混合物。它具有质量，也有重量，和不确定的形状。

空气象其他任何流体一样，由于分子内聚力的缺乏，当受到非常微小的压力时就会流动和改变它的形状。例如，气体会充满任何装它的容器，膨胀和传播直到其外形达到容器的限制。

大气的组成是由78％的氮气，21％的氧气以及1％的其他气体，如氩气和氦气。由于部分元素比其他的重，较重的气体如氧气有个天然的趋势，会占据地球的表面。而较轻的气体会升到较高的区域。这就解释了为什么大多数氧气包含在35000英尺高度以下。

因为空气有质量也有重量，它是一个物体，作为一个物体，科学定律会向其他物体一样对气体起作用。气体驻留于地球表面之上，它有重量，在海平面上产生的平均压力为每平方英寸14.7磅，或者29.92英寸水银柱高度。由于其浓度是有限的，在更高的高度上，那里的空气就更加稀薄。由于这个原因，18000英尺高度的大气重量仅仅是海平面时的一半。如下图

大气压力尽管有多种压力，这里的讨论主要涉及大气压力。它是天气变化的基本因素之一，帮助提升飞机，也驱动飞机里的某些重要飞行仪表。这些仪表是高度仪，空速指示仪，和爬升率指示仪，和进气压力表。

虽然空气很轻，也受重力吸引的影响。因此，和其他物质一样，由于有重量，就产生了力量。由于它是流体物质，朝各个方向施加的力是相等的，它作用于空气中物体的效果就是压力。在海平面的标准条件下，由于大气重量而施加于人体的平均压力大约14.7lb/in。空气密度对飞机的性能有重大的影响。如果空气密度变低，1)飞机会降低动力，因为引擎吸收更少的空气，2)降低推力，因为螺旋桨在稀薄的空气力更低效，3）降低升力，因为稀薄的空气对机翼施加的力量更小。

压力对密度的影响由于空气是气体，它可以被压缩或者膨胀。当空气被压缩时，一定的容积可以容纳更多的空气。相反的，当一定容积上空气的压力降低时，空气会膨胀且占据更大的空间。那是因为较低压力下的最初空气体积容纳了更少质量的空气。换句话说，就是空气密度降低了。事实上，密度直接的和压力成比例。如果压力增倍，密度也就增倍，如果压力降低，密度也就相应的降低。这个说法只在恒定温度条件下成立。

温度对密度的影响增加一种物质的温度的效果就是降低其密度。相反的，降低温度就有增加密度的效果。这样，空气密度就和绝对温度成反比例变化。这个说法只在恒定压力的条件下成立。

在大气中，温度和压力都随高度而下降，对密度的影响是矛盾的。然而，随着高度的增加压力非常快的下降是占主要影响的。因此，可以预期密度是随高度下降的。

湿度对密度的影响前面段落的叙述都假设空气是完全干燥的。实际上，空气从不是完全干燥的。空气中的少量水蒸气在特定情况下几乎可以忽略，但是在其他条件下湿度可能成为影响飞机性能的重要因素。水蒸气比空气轻，因此，湿空气比干空气要轻。在给定的一组条件下，空气包含最多的水蒸气则其密度就最小。温度越高，空气中能包含的水蒸气就越多。当对比两个独立的空气团时，第一个温暖潮湿（两个因素使空气趋于变轻）的和第二个寒冷干燥(两个因素使得空气变重)的气团，第一个的密度必定比第二个低。压力，温度和湿度对飞机性能有重要的影响，就是因为他们直接影响空气密度。

运动和力的牛顿定律在17世纪，哲学家和数学家 牛顿提出了三个基本的运动定律。他在这样做的时候脑子里确定无疑的没有飞机这个概念，但是几乎所有已知的运动都可以回到这三个定律。这些定律以牛顿的名字命名如下：

牛顿第一定律：一个静止的物体有维持其静止状态的特性，运动中的物体有维持其原有速度和方向的特性。简而言之，本质上，一个物体一直保持其运动状态知道有外界力量改变他。停机坪上的静止飞机会一直保持静止除非施加一个足够强的克服其惯性的力。然而，一旦其开始运动，他的惯性会让他保持运动，克服施加于飞机上的各种其他力量。这些力量或推动其运动，或减慢其速度，或改变他的方向。

牛顿第二定律：当一个物体收到一个恒定力的作用时，其加速度和物体的质量成反比，和物体的所施加的力成正比。这里所涉及的就是克服牛顿第一定律的惯性的因素。其包含方向和速度的改变，有两层含义：从静止到运动（正加速度）和从运动到停止（负加速度或者减速）。

牛顿第三定律：无论何时一个物体对另一个物体施加力量，那么另一个物体也对这个物体施加力量，这个力的大小是相等的，而方向是相反的。开火时枪的反作用力是牛顿第三定律的形象化例子。游泳冠军在折回时对游泳池壁施加反作用力，或者婴儿学步－都会失败，但是现象都表现了这个定律。飞机上，螺旋桨转动向后推动空气，所以，空气向相反的方向推螺旋桨－飞机前进。在喷气式飞机上，引擎向后推动热空气气流，作用于引擎的反向等大小的作用力推动引擎，使得飞机前进。所有交通工具的运动都形象的演示了牛顿第三运动定律。

马格努斯效应通过观察气流中旋转的圆柱可以很好的解释升力的原因。靠近圆柱的局部速率由气流速度和圆柱的旋转速率共同决定，距离圆柱越远其速率越低。对于圆柱，顶部表面的旋转方向和气流方向一致，顶部的局部速率高，底部的速率低。

如下图，在A点，气流线在分支点分开，这里有个停滞点；一些空气向上，一些空气向下。另一个停滞点在B点，两个气流汇合，局部速度相同。现在圆柱面前部有了升流，后面有降流。

表面局部速度的差别说明压力的不同，顶部压力比底部低。低压区产生向上的力称为“马格努斯效应”。这种机械降低的循环演示了旋转和升力之间的关系。

正迎角的机翼产生的气流使得机翼尾部的停滞点称为尾部边缘的尾巴，而前面的停滞点前导机翼边缘的下方。

压力的伯努利原理牛顿发表其定律的半个世纪之后，一个瑞士数学家伯努利先生解释了运动流体(液体或者气体)的压力是如何随其运动速度而变化的。特别的，他说道运动或者流动的速度增加会导致流体压力的降低。这就是空气通过飞机机翼上曲面所发生的。

可以使用普通管子里的水流来作个模拟。在恒定直径的管子中流动的水对管壁施加一致的压力；但是如果管子的一段直径增加或者降低，在那点水的压力是肯定要变化的。假设管子收缩，那么就会压缩这个区域里的水流。假设在一样的时间流过收缩部分管子的水量和管子收缩前是一样的，那么这个点的水流速度必定增加。

因此，如果管子的一部分收缩，它不仅增加流速，还降低了所在点的压力。流线型的固体(机翼)在管子中同一点也会得到类似的结果。这个一样的原理是空速测试和机翼产生升力能力分析的基础。

伯努利定理的实践应用是文氏管。文氏管的入口比喉部直径大，出口部分的直径也和入口一样大。在喉部，气流速度增加，压力降低；在出口处气流速度降低，压力增加。如下图。

机翼设计在讨论牛顿和伯努利的发现的章节里，我们已经一般性的讨论了飞机比空气重而机翼为什么能够维持飞行的问题。或许这个解释能够最好的简化为一个最基本的概念，升力就是机翼上空气流动的结果，或者用日常语言来说，就是因为机翼在空气中的运动。

由于机翼利用其在空气中的运动产生力量，下面降会讨论和解释机翼结构以及前面讨论的牛顿和伯努利定律的材料。

机翼是一种利用其表面上运动的空气来获得反作用力的结构。当空气收到不同的压力和速度时，其运动方式多种多样。但是这里讨论的是限于飞行中飞行员最关心的那些部分，也就是说机翼是用来产生升力的。看一下典型的机翼剖面图，如机翼的横截面，就可以看到几个明显的设计特征。如下图。

请注意机翼的上表面和下表面的弯曲(这个弯曲称为拱形)是不同的。上表面的弯曲比下面的弯曲更加明显，下表面在大多数具体机翼上是有点平的。在图2－5中，注意机翼剖面的两个极端位置的外观也不一样，飞行中朝前的一端叫 前缘，是圆形的，而另一端叫尾缘，相当的尖，呈锥形。

在讨论机翼的时候经常使用一条称为弦线的参考线，一条划过剖面图中两个端点前缘和后缘的直线。弦线到机翼上下表面的距离表示上下表面任意点的拱形程度。另一条参考线是从前缘划到后缘的，叫“平均弯度线”。意思是这条线到上下表面轮廓是等距离的。

机翼的构造通过成形来利用空气的对应于特定物理定律的作用使得提供大于它的重量的作用力。它从空气获得两种作用力：一种是从机翼下方空气产生的正压升力，另外就是从机翼上方产生的反向压力。

当机翼和其运动方向成一个小角度倾斜是，气流冲击相对较平的机翼下表面，空气被迫向下推动，所以导致了一个向上作用的升力，而同时冲击机翼前缘上曲面部分的气流斜向上运动。也就是说，机翼导致作用于空气的力，迫使空气向下，同时也就提供了来自空气的相等的反作用力，迫使机翼向上。如果构造机翼的形状能够导致升力大于飞机的重量，飞机就可以飞起来。

然而，如果所有需要的力仅仅来自于机翼下表面导致的空气偏流，那么飞机就只需要一个类似风筝的平的机翼。当然，情况根本不是这样；在特定条件下被扰乱的机翼尾部气流会足够导致飞机失去速度和升力。支撑飞机所需力的平衡来自机翼上方的气流。这里它是飞行的关键。大部分升力来自机翼上部气流的下洗流(因机翼所产生的下降气流)的结果，这个事实必须透彻的理解才能继续深入的研究飞行。然而，给机翼上表面产生的力和下表面产生的力指定一个具体的百分比是既不正确也达不到实际目的。这些(来自上下表面的力以及他们的比例)都不是恒定值，他们的变化不仅取决于飞行条件还和不同的机翼设计有关。

应该明白不同的机翼有不同的飞行特性。在风洞和实际飞行中测试了成千上万种机翼，但是没有发现一种机翼能够满足每一项飞行要求。重量，速度和每种飞机的用途决定了机翼的外形。很多年前人们就认识到产生最大升力的最有效率的机翼是一种有凹陷的下表面的勺状机翼。后来还认识到作为一种固定的设计，这种类型的机翼在产生升力的时候牺牲了太多的速度，因此不适合于高速飞行。然而，有一个需要说明的有趣事情，通过工程上巨大的进步，今天的高速喷气机又开始利用勺状机翼的高升力特性这个优势。前缘(Kreuger)襟翼和后缘(福勒)襟翼从基本机翼结构向外延伸时，直接的把机翼的外形变化为经典的勺状形态，这样就能够在慢速飞行条件下产生大的多的升力。

另一方面，特别流线型的机翼有时候风阻力很小，没有足够的升力让飞机离地。这样，现代飞机机翼在设计上采取极端之间的中庸，外形根据飞机的设计需要而变化。如下图显示了部分更加普通的机翼剖面。

低压在上在一个风洞或者飞行中，机翼仅仅是插入到空气流中的流线型物体。如果机翼剖面是泪珠型外形，流过机翼上下表面两边的空气速度和压力的变化是一样的。但是如果泪珠状机翼沿纵向切去一般，就可以产生构成基本机翼剖面的外形。如果机翼有倾角，气流就以一个角度(迎角，也叫迎角)冲击它，由于上表面的弯曲引起运动距离的增加，导致机翼上表面移动的空气分子就被迫比沿下表面移动的分子更快。速度的增加降低了机翼上部的压力。

伯努利压力原理本身没有解释机翼上表面的压力分布情况。后面将介绍流经靠近机翼曲面的不同路径上空气冲力的影响。如下图。

冲力是一种使物体运动方向或大小改变的阻力。当一个物体受力在环形路径上运动时，它产生一个背向曲线路径中心的阻力。这是“离心力”。当空气粒子在曲线路径AB上运动时，离心力趋向于把粒子向AB之间箭头的方向上抛，这样就导致空气在对机翼前缘施加正常压力之外还有别的力。但是当空气粒子通过B点(路径弯曲的反转点)之后，离心力趋向于把他们往BC之间的箭头方向上抛(导致机翼上压力降低)。这个效应一直维持到空气粒子到达C点，C点是第二个气流弯曲反转点。离心力再一次反转，空气粒子会趋向于给机翼尾部边缘在正常压力之外稍微多加一点力，如图中CD之间短箭头所示。

所以，机翼上表面的空气压力是分布式的，前缘所受的压力比周围的大气压力大的多，导致了前进运动的强大阻力；但是在上表面的很大一部分(B点到C点)空气压力小于周围的大气压力。

就像应用伯努利原理的文氏管中所看到的，机翼上表面空气的加速引起压力的下降。这个较低的压力是总升力的一部分。然而，机翼上下表面压力差是总升力的唯一来源的设想是错误的。

还必须记住和较低压力有关的是下洗力－机翼顶部表面向下向后的气流。就像在前面对空气动态作用相关的讨论中看到的那样，气流冲击机翼的下表面，向下向后的气流的反作用力是向前向上的。机翼上表面和下表面适用一样的反作用力，牛顿第三定律再次得到体现。

高压在下在讨论和升力相关的牛顿定律章节里，已经讨论了机翼下方的压力条件特定大小的压力是如何生成的。机翼下方的正压力在迎角较大时也相应增加。但是气流的另一方面也必须考虑。在靠近前缘的点，实际上气流是停滞的(停滞点)，然后逐渐的增加速度。在靠近尾缘的某些点，速度又变到和机翼上表面的速度相同。遵循伯努利原理，机翼下方的气流速度较慢，产生了一个支撑机翼的正压力，当流体速度下降时，压力必定增加。基本上，由于机翼上下表面的压力差的增加，因此机翼上增加的总升力会导致下表面压力没有增加。无论何时机翼产生的升力中伯努利原理和牛顿定律都生效。

液体流动或者气体流动是飞机飞行的基础，也是飞机速度的产物。由于飞机的速度影响飞机的升力和阻力，所以对飞行员非常重要。飞行员在最小滑翔角，最大续航力和很多其他飞行机动中使用空速飞行。空速是飞机相对于所飞过的空气的速度。

机翼的压力分布从风洞模型和实际大小的飞机上所作的试验上，已经确知在不同迎角的机翼表面气流中，表面的不同区域压力有负的（比空气压力小）也有正的(比空气压力大)。上表面的负压产生的力比下表面空气冲击机翼产生的正压得到的力更大。如下图显示了三个不同迎角时沿机翼的压力分布。通常，较大迎角时压力中心前移，小迎角时压力中心后移。在机翼结构的设计中，压力中心的移动是非常重要的，是因为其影响大迎角和小迎角时作用于机翼结构上的空气动力负荷的位置。飞机的航空动力学平衡和可控制性是由压力中心的改变来控制的。

压力中心是通过计算和机翼迎角在正常的极值范围内变化的风洞测试得到的。当迎角变化时，压力分布特性也就不同。

如下图，在每个迎角时正负压力加总得到合力。

这个力矢量应用的点在术语上称为 “压力中心CP”。对于任意给定的迎角，压力中心在合力矢量和弦线的焦点位置。这个点用机翼弦的百分比来表示。对于一个60英寸弦的30％位置的压力中心点即机翼后缘的18英寸位置。设计者这样设计机翼的时候，压力中心就在飞机的重心，飞机总会平衡。然而，压力中心的位置随机翼迎角的变化而改变，这样困难就出现了。如下图。

在飞机的正常飞行姿态范围内，如果迎角增加，压力中心就向前移动；反之则后移。因为重心固定在一点，很明显，迎角增加时，升力中心朝重心的前面移动，产生一个抬升机头的力，或者增加多一点迎角。另一方面，如果迎角减小，升力中心后移，趋向于迎角减小很多。这样就可以看到，正常的机翼是内在不稳定的，这样就必须增加一个额外的辅助设备如水平尾翼来维持飞机纵向平衡。

所以飞行中的飞机平衡取决于重心和机翼压力中心的相对位置。经验已经表明重心在机翼弦线的20％附近的飞机可以获得平衡和满意的飞行。

锥形的机翼表明了翼展范围内翼弦的多样性。指定某弦线其平衡点可以被表示开始变得有必要。这个弦即知名的平均空气动力弦(MAC),通常定义为假设的非锥形机翼的弦，它和被讨论的机翼有相同的压力中心特性。

飞机的载荷和重量分布也影响重心的位置而产生额外的力，进而影响飞机的平衡。