第二章 空气动力学基础.ppt

交大理工模型协会理论教程----交大理工模型协会制作第二章 空气动力学基础•第一节 力的平衡–飞行中的飞机受的力可分为升力、重力、阻力、推力﹝如图1-1﹞，升力由机翼提供，推力由引擎提供，重力由地心引力产生，阻力由空气产生第二节 伯努利定律在一个流体系统，比如气流、水流中，流速越快，流体产生的压力就越小，这就是被称为“流体力学之父”的丹尼尔·伯努利1738年发现的“伯努利定律”这个压力产生的力量是巨大的，空气能够托起沉重的飞机，就是利用了伯努利定律飞机机翼的上表面是流畅的曲面，下表面则是平面这样，机翼上表面的气流速度就大于下表面的气流速度，所以机翼下方气流产生的压力就大于上方气流的压力，飞机就被这巨大的压力差“托住”了•伯努利定律是空气动力最重要的公式，简单的说流体的速度越大，静压力越小，速度越小，静压力越大，这里说的流体一般是指空气或水，在这里当然是指空气，设法使机翼上部空气流速较快，静压力则较小，机翼下部空气流速较慢，静压力较大，两边互相较力﹝如图1-3﹞，于是机翼就被往上推去，然后飞机就飞起来了以前的理论认为两个相邻的空气质点同时由机翼的前端往后走，一个流经机翼的上缘，另一个流经机翼的下缘，两个质点应在机翼的后端相会合﹝如图1-4﹞，经过仔细的计算后发觉如依上述理论，上缘的流速不够大，机翼应该无法产生那么大的升力，现在经风洞实验已证实，两个相邻空气的质点流经机翼上缘的质点会比流经机翼的下缘质点先到达后缘﹝如图1-5﹞。

第三节 翼型介绍飞机最重要的部分当然是机翼了，飞机能飞在空中全靠机翼的浮力，机翼的剖面称之为翼型，为了适应各种不同的需要，航空前辈们发展了各种不同的翼型，从适用超音速飞机到手掷滑翔机的翼型都有，翼型的各部名称如﹝图3-1﹞因为翼型实在太多种类了，一般人如只知编号没有坐标也搞不清楚到底长什么样，所以在模型飞机界称呼翼型一般常分成以下几类﹝如图3-2﹞：•１全对称翼：上下弧线均凸且对称•２半对称翼：上下弧线均凸但不对称•３克拉克Y翼：下弧线为一直线，其实应叫平凸翼，有很多其它平凸翼型，只是克拉克Y翼最有名，故把这类翼型都叫克拉克Y翼，但要注意克拉克Y翼也有好几种•４S型翼：中弧线是一个平躺的S型，这类翼型因攻角改变时，压力中心较不变动，常用于无尾翼机•５内凹翼：下弧线在翼弦，升力系数大，常见于早期飞机及牵引滑翔机，所有的鸟类除蜂鸟外都是这种翼型•６其它特种翼型 •以上的分类只是一个粗糙的分类，在观察一个翼型的时候，最重要的是找出它的中弧线，然后再看它中弧线两旁厚度分布的情形，中弧线弯曲的方式、程度大至决定了翼型的特性，弧线越弯升力系数就越大，但一般来说光用眼睛看非常不可靠，克拉克Y翼的中弧线就比很多内凹翼还弯。

•第四节 飞行中的阻力如何减少阻力是飞机设计的一大难题，飞行中飞机引擎的推力全部用来克服阻力，如果可以减少阻力则飞机可以飞得更快，不然可以把引擎改小减少重量及耗油量，拿现代私人小飞机与一次大战战斗机相比，引擎大约都差不多一百多匹马力，现代私人小飞机光洁流线的机身相对于一次大战战斗机整架飞机一堆乱七八糟的支柱与张线，现代飞机速度几乎是它前辈的一倍，所以减少阻力是我们设计飞机时需时时刻刻要注意的 液冷式发动机液冷式发动机空冷式发动机空冷式发动机•我们先要了解阻力如何产生，一架飞行中飞机阻力可分成四大类：•１磨擦阻力：空气分子与飞机磨擦产生的阻力，这是最容易理解的阻力但不很重要，只占总阻力的一小部分，当然为减少磨擦阻力还是尽量把飞机磨光 •２形状阻力：物体前后压力差引起的阻力，平常汽车广告所说的风阻系数就是指形状阻力系数﹝如图3-3﹞，飞机做得越流线形，形状阻力就越小，尖锥状的物体形状阻力不见得最小，反而是有一点钝头的物体阻力小，读者如果有机会看到油轮船头水底下那部分，你会看到一个大头，高级滑翔机大部分也有一个大头，除了提供载人的空间外也是为了减少形状阻力３诱导阻力：机翼的翼端部因上下压力差，空气会从压力大往压力小的方向移动，部份空气不会规规矩矩往后移动，而从旁边往上翻，因而在两端产生涡流﹝如图3-4﹞，因而产生阻力这现象在飞行表演时，飞机翼端如有喷烟时可看得非常清楚，你可以注意涡流旋转的方向﹝如图3-5﹞﹝图3-6﹞是NASA的照片，可看见壮观的涡流，因为这种涡流延伸至水平尾翼时，从水平尾翼的观点气流是从上往下吹，因此会减小水平尾翼的攻角，也就是说水平尾翼的攻角实际会比较小，翼尖小翼﹝图3-6﹞只不过是一架小飞机，如像类似747这种大家伙起飞降落后，小飞机要隔一阵子才能起降，否则飞入这种涡流，后果不堪设想，这种阻力是因为涡流产生，所以也称涡流阻力。

４寄生阻力：所有控制面的缝隙﹝如主翼后缘与副翼间﹞、主翼及尾翼与机身接合处、机身开孔处、机轮及轮架、拉杆等除本身的原有的阻力以外，另外衍生出来的阻力﹝如图3-7，3-8﹞一架飞机的总阻力就是以上四种阻力的总合，但飞机的阻力互相影响的，以上的分类只是让讨论方便而已，另外诱导阻力不只出现在翼端，其它舵面都会产生，只是翼端比较严重，磨擦阻力、形状阻力、寄生阻力与速度的平方成正比，速度越快阻力越大，诱导阻力则与速度的平方成反比﹝如图3-9﹞，所以要减少阻力的话，无动力飞机重点在减少诱导阻力，高速飞机重点在减少形状阻力与寄生阻力•第五节 翼面负载翼面负载就是主翼每单位面积所分担的重量，这是评估一架飞机性能很重要的指针，模型飞机采用的单位是每平方公寸多少公克﹝g/dm2﹞，实机的的单位则是每平方公尺多少牛顿﹝N/m2﹞，翼面负载越大意思就是相同翼面积要负担更大的重量，如果买飞机套件的话大部分翼面负载都标示在设计图上，计算翼面负载很简单，把飞机﹝全配重量不加油﹞秤重以公克计，再把翼面积计算出来以平方公寸计﹝一般为简化计算，与机身结合部分仍算在内﹞两个相除就得出翼面负载，例如一架30级练习机重1700公克，主翼面积30平方公寸，则翼面负载为56.7 g/dm2。

•第六节 雷诺数与失速 机翼的升力随攻角的增大而增加，攻角就是翼弦线与气流的夹角 攻角为零度时对称翼此时不产生升力，但克拉克Y翼及内凹翼仍有升力，后二种翼型要负攻角才不产生升力，不产生升力的攻角叫零升攻角﹝如图3-11﹞，所以对称翼的零升攻角就是零度，谁都知道攻角增加有一个上限，超过这上限就要失速，那机翼什么时候会失速呢？﹝图3-12a﹞是飞机正常飞行时流经机翼的气流，﹝图3-12b﹞是飞机失速时的气流，这时上翼面产生强烈乱流，直接的结果是阻力大增，而且气流冲击上翼面，使升力大减，于是重力主控这架飞机，就是摔下去啦，那我们想事先知道机翼什么时候会失速，这就有需要知道雷诺数 雷诺数原始公式是：   •Re=ρ‧V‧b/μ ρ是空气密度、V是气流速度、b是翼弦长、μ黏性系数因对模型飞机而言空气密度与黏性系数是定值，因为你不会飞很高故空气密度不变，而且你不会飞到水里故黏性系数不变，故以上公式可简化为： •Re=68500‧V‧b V单位是公尺/秒 b是公尺雷诺数越大越不容易失速，一架飞机的失速角不是一定值，速度越慢时﹝雷诺数小﹞越容易失速，翼面负载越大时，因飞行时攻角较大也越容易失速，三角翼飞机翼弦都很大，所以雷诺数大，比较不容易失速。

•第七节 展弦比展弦比A就是翼展L除以平均翼弦b(A=L/b)，L与b单位都是公分，如果不是矩形翼的话我们把右边上下乘以L，得A=L2 / S，S是主翼面积，单位是平方公分，这样省得求平均翼弦，一般适合的展弦比在5~7左右如前所述磨擦阻力、形状阻力与速度的平方成正比，速度越快阻力越大，诱导阻力则与速度的平方成反比，所以高速飞机比较不考虑诱导阻力，所以展弦比低，滑翔机速度慢，采高展弦比以降低诱导阻力，最典型的例子就是U2﹝如图3-15﹞跟F104﹝如图3-16﹞ U2为高空侦察机，为长时间翱翔，典型出一次任务约10~12小时，U2展弦比为10.5 F104为高速拦截机，速度达2倍音速以上，展弦比4.5，自然界也是如此，信天翁为长时间遨翔，翅膀展弦比高，隼为掠食性动物，为求高速、灵活，所以展弦比低•第八节 基本飞行动作升降舵：控制飞机的升降（抬头升降舵面拉起，飞机以重心为轴，机头向上，机尾向下，进行爬升相反，舵面下压，进行下降方向舵：用来改变飞机航向，转弯半径较大，不容易掉高度，多数用于角度较大的转向副翼：使飞机绕纵轴滚动来改变航向，转弯半径小，会掉高度用副翼转向时，总是一边的舵面向上，另一边的向下，来进行滚转。

向左横滚方向舵转向和副翼转向的区别方向舵：转弯半径大，缓慢，一般不掉高度，易操控副翼：转弯半径小，迅速，易掉高度，难操控。