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航空航天空气动力学基础知识点总结

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发表于 2020-5-5 14:25:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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章:升力与阻力的产生


第一讲:流动气体的基本规律
第二讲:飞机的升力
第三讲:飞机的阻力

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 楼主| 发表于 2020-5-5 14:26:27 | 显示全部楼层
第一讲:流体流动的基本规律

1.1预备知识:力
    本小节将阐述力的概念、分类、作用效果、性质、图示和静力学5条公理,得出2条推理。讲解如何对一个物体进行简单的的受力分析。
1.1.1力的概念
力是力学中的基本概念之一,是使物体获得加速度或形变的外因。力是物体对物体的作用,力不能脱离物体而单独存在。两个不直接接触的物体之间也可能产生力的作用。
定义:力是物体(物质)与物体(物质)之间的相互作用产生。
力的国际单位是牛顿读作,符号N这是为了纪念英国科学家艾萨克·牛顿而命名的
力的三要素:力的大小、方向、作用点是力的三要素。
测量工具:弹簧秤或测力计等。
1.1.2力的分类:
1.根据力的性质可分为:重力、万有引力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力、核力等。
2.根据力的效果可分为:拉力、张力、压力、支持力、动力、阻力、向心力、回复力等。
3.根据研究对象可分为:外力和内力。
4.根据力的作用方式可分为:非接触力(如万有引力,电磁力等)和接触力(如弹力,摩擦力等)。
5.四种基本相互作用(力):引力相互作用,电磁相互作用,强相互作用,弱相互作用。
1.1.3作用效果
1.力可以改变物体的形状,使物体发生形变。
2.力可以改变物体的运动状态(速度大小、运动方向,两者至少有一个会发生改变)。
3.力使物体保持匀变速不变。
1.1.4力的性质
1.物质性:力是物体对物体的作用,一个物体受到力的作用,一定有另一个物体对它施加这种作用,力是不能摆脱物体而独立存在的。
2.相互性:任何两个物体之间的作用总是相互的,施力物体同时也一定是受力物体。只要一个物体对另一个物体施加了力,受力物体反过来也肯定会给施力物体增加一个力。简单概括为:异物、等值、反向、共线。一对相互作用力必然是同时产生,同时消失的。
3.矢量性:力是矢量,既有大小又有方向。
4.同时性:力同时产生,同时消失。
5.独立性:一个力的作用并不影响另一个力的作用。
1.1.5力的图示
包含力的大小、方向、作用点三个要素。用一条有向线段把力的三要素准确的表达出来的方式称为力的图示。大小用有标度的线段的长短表示,方向用箭头表示,作用点用箭头或箭尾表示,力的方向所沿的直线叫做力的作用线。力的图示用于力的计算。
1.1.6静力学公理
公理是人们在生活和生产实践中长期积累的经验总结,又经过实践反复检验,被确定是符合客观实际的最普遍、最一般的规律。
1.1.6.1公理1力的平行四边形法则
作用在物体上同一点的两个力,可以合成合成为一个合力,合力的作用点也在该点,合力的大小
和方向,由以这两个力为边构成的的平行四边形的对角线确定,如图1-1所示。或者说,合力矢等于这两个力矢的几何和,
FR=F1+F2 图片1.png

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 楼主| 发表于 2020-5-5 14:44:40 | 显示全部楼层
1.1.6.2公理2二力平衡的条件
作用在同一体上的两个力,这两个力大小相等,方向相反,且作用在同一直线上。
这条公理表明了作用于刚体上最简单力系平衡时所必须满足的条件。
1.1.6.3公理3 加减平衡力系原理
在任意一原有力系上加上或减去任意的平衡力系,与原力系对刚体的作用效果等效。
这条公理是研究力系等效的重要依据。
依据上述两条公理可以推出下列两条推理:
1.1.6.4推理1 力的可传性
作用于刚体上某点的力,可以沿着它的作用线移到刚体内任意一点,并不改变该力对刚体的作用。
1.1.6.5推理2 三力平衡汇交定理
刚体在三个力作用下平衡,若其中两个力的作用线交于一点,则第三个力的作用线必通过此汇交点,且三个力位于同一平面内。
1.1.6.6公理4作用和反作用定律
作用力和反作用力和反作用力总是同时存在,两力大小相等、方向相反,沿着同一条直线,分别作用在两个相互作用的物体上。
1.1.6.7公理5刚化原理
在某一力系作用下处于平衡,如将此变形体刚化为刚体,其平衡状态保持不变。
这个公理提供了把变形体看作为刚体模型的条件。
1.2流动气体的基本规律

1.2 .1认识空气
1.空气密度
空气密度是指单位体积内空气的质量。
2.空气压力
空气压力及气压是指空气的压强,即物体单位面积上所承受的空气的垂直作用力。
3.空气温度
空气温度是指空气的冷热程度。1.2.2完全气体的状态方程
任何状态下的气体,其压强、密度和温度三者之间存在着某个函数关系,此关系称为气体的状态方程:P=ρRT
R为气体常数

1.2.3空气的压缩性
弹性模量E:相对体积单位变化所需要的压强增量,即: 图片1.png
E较大,则流体不容易被压缩,反之当E较小则流体容易被压缩。液体的E一般较大,通常可视为不可压缩流体,气体的E通常较小,且与热力过程有关,故气体具有压缩性。
气体:空气 E=1.0×106 Pa
液体:水 E=2.1×109 Pa
气体的弹性模量比液体的小得多
1.2.4空气的粘性
1.粘性的定义:在作相对运动的两流体层接触面上,存在一对等值而反向的作用力来阻碍相邻流体层作相对运动,流体的这种性质叫做流体的粘性。
图片1.png
2.牛顿内摩擦定律
1686年,牛顿指出,相邻两层流体作相对运
动所产生的摩擦力F:
1.与两层流体的速度梯度成正比;
2.与两层流体的接触面积成正比;
3.与流体物性有关;
4.与接触面上的压强无关;
并写出如下表达式,称为牛顿内摩擦定律
图片1.png
3. 粘性系数
定义:粘性系数是流体粘性大小的一种度量。
特点:
液体 —— 温度升高,粘性系数减少,流动性增加。(分子间的内聚力)
气体 —— 温度升高,粘性系数增加,流动性减小。(分子无规则热运动)

4.结论:
① 速度梯度大,粘性力大。
② 空气温度高,粘性力大。
③ 接触面积大,粘性力大。
速度梯度,指流体在两界面之间流动时,由于材料之间摩擦力的存在,使流体内部与流体和界面接触处的流动速度发生差别,产生一个渐变的速度场,称为速度梯度,或称切速率、剪切速率。

5.雷诺数
雷诺数(Reynolds number)一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。
雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则数。为纪念O.雷诺而命名,记作Re。
雷诺数,又称雷诺准数,是用以判别粘性流体流动状态的一个无因次数群。 [1]
1883年英国人雷诺(O.Reynolds)观察了流体在圆管内的流动,首先指出,流体的流动形态除了与流速(ω)有关外,还与管径(d)、流体的粘度(μ)、流体的密度(ρ)这3个因素有关。
Re=ρvL/μ,ρ、μ为流体密度和动力粘性系数,v、L为流场的特征速度和特征长度。雷诺数物理上表示惯性力和粘性力量级的比。对外流问题,v、L一般取远前方来流速度和物体主要尺寸(如机翼弦长或圆球直径);内流问题则取通道内平均流速和通道直径。两个几何相似流场的雷诺数相等,则对应微团的惯性力与粘性力之比相等。
雷诺数较小时,粘滞力对流场的影响大于惯性,流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性对流场的影响大于粘滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的紊流流场。
雷诺数越小意味着粘性力影响越显著(例如雾珠的降落或润滑膜内的流动过程),越大意味着惯性影响越显著(例如飞机近地面飞行时相对于飞机的气流)。
典型雷诺数
普通航空飞机:5000000
小型无人机:400000
海鸥:100000
滑翔蝴蝶:7000
圆形光滑管道:2500
橡胶管道:1600~2100
1.2.5空气流动的描述
空气流动的情形一般用流线、流管和流线谱来描述。
流线 :流场中一条空间曲线,在该曲线上流体微团的速度与曲线在该点的切线重合。对于定常流 ,流线是流体微团流动的路线。
流线的特点:
1.该曲线上每一点的流体微团速度与曲线在该点的切线重合。
2.流线每点上的流体微团只有一个运动方向。
3.流线不可能相交,不可能分叉。
流管 :由许多流线所围成的管状曲面。
图片1.png

流线谱是所有流线的集合。
流线谱的特点
1.流线谱的形状与流动速度无关。
2.物体形状不同,空气流过的流线谱不同。
3.物体与相对气流的相对位置不同,空气流过物体的流线谱的不同。
4.气流受阻,流管扩张变粗,气流流过物体外凸处或受挤压,流管收缩变细。
5.气流过物体时,在物体的后部都要形成涡流区。
1.3连续性定理与伯努利定理
图片1.png
流线谱的特点
1.流线谱的形状与流动速度无关。
2.物体形状不同,空气流过的流线谱不同。
3.物体与相对气流的相对位置不同,空气流过物体的流线谱的不同。
4.气流受阻,流管扩张变粗,气流流过物体外凸处或受挤压,流管收缩变细。
5.气流过物体时,在物体的后部都要形成涡流区。1.3连续性定理与伯努利定理


1.3.1质量守恒与连续性方程
1.质量守恒:通过流管各截面的气体质量流量必相等。
2.连续性方程:ρ1V1A1=ρ2V2A2=常数
由于V<100m/s时可认为ρ不变,可得出V1A1=V2A2,观察此式,可以得到以下结论:
流管截面积大,流速小;流管截面积小,流速大
流管收缩,则流速加快;流管扩张,则流速降低。
图片1.png
(思考:生活中哪些现象反映了此规律?)
注意:
1.连续方程式是质量守恒的数学表达,因此与流体的性质以及是否有粘性作用,是否有其它外力、加热等作用无关。
2.对于分支管道、隐射及有外源这类加质量的问题,在写出一般形式连续方程时,应考虑到通过控制面的全部流量及源的流量。1.3.2能量守恒与伯努利方程
1726年,伯努利通过无数次实验发现流体速度加快时,物体与流体接触面上的压力会减小,反之压力会增加。同一流管的任意截面上,体静压与动压之和保持不变。能量守恒定律是伯努利定理的基础。
1.流入/流出流管两端的能量差等于流体功的增加量。
2.伯努利方程由能量守恒定理推导而来。
3.伯努利方程
图片1.png
静压+动压=总压+常数
我们平时测量的大气压指的就是静压,也就是我们平时所感受到的压力,动压是感受不到的,但可以靠装置测量。
由此方程我们可以得出以下结论:速度大,动压大,静压小;速度小,动压小,静压大。
图片1.png
伯努利定理的适用条件:气流是连续、稳定的,即动常。流动的空气与外界没有能量交换,即是绝热。空气没有粘性,即为理想流体。空气密度是不变,即为可压流。在同一条流线或流管上。
1.3.2连续性方程和伯努利方程的联合
由连续性方程和伯努利方程的联合可以推知:
截面积小,流速大,动压大,静压小,。截面积大,流速小,动压大,静压小。1.3附面层

1.3.1附面层概念的提出
背景:1904年,普朗特提出附面层概念。
表述:粘性很小的流体以大雷诺数运动时,在大部分流场上,可以略去粘性作用;但在物面附近的很薄一层流体内必须考虑粘性的作用。这一薄层,称为附面层(边界层)雷诺数代表着流体微团所受到的惯性力与粘之比。
雷诺数代表着流体微团所受到的惯性与粘性之比。就一个流场来说,如果雷诺数很大,则说明流体微团受到惯性的作用效果远大于粘性的作用效果。

1.3.2附面层的形成和特点
1.附面层的形成受粘性影响。
图片1.png
2.附面层的厚度:
附面层,是气流速度从物面处速度为零逐渐增加到99%主流速度的很薄的空气流动层。
图片1.png
3.附面层的特点
附面层的厚度随气流流经物面距离的增长而增厚。
附面层分为层流附面层和紊流附面层,层流在前,紊流在后。层流与紊流之间的过渡区称为转捩点。
图片1.png
1.3.3附面层分离
1.附面层分离现象:在逆压梯度作用下,附面层底层出现倒流,与上层顺流相互作用,形成漩涡脱离物体表面的现象。
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2.原因:
附面层分离的内因是空气的粘性,外因是因物体表面弯曲而出现的逆压梯度。
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2.1认识飞机
2.1.1五大部分
机身、机翼、尾翼、起落装置和动力装置是组成飞机的五大基本部件。
机身:装载机组、乘客、货物和其他必须设备;将飞机的其他部分如机翼、尾翼和发动机连成一个整体。
机翼:机翼产生升力。机翼在飞机的稳定性和操纵性中扮演重要的角色,翼上安装的可操纵面主要有副翼、后缘襟翼、前缘襟翼、前缘缝翼。机翼还用于安装发动机、起落架及起落架轮舱和油箱。
飞机可以按机翼数量、位置、反角和平面形状等特征分类。

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发表于 2020-5-5 15:00:55 | 显示全部楼层 <
学习了,看了半天,哈哈谢谢
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 楼主| 发表于 2020-5-5 15:12:42 | 显示全部楼层
图片1.png 图片1.png
图片1.png
图片2.png
飞行器的机翼左右翼尖之间的距离。
展弦比:展弦比是展长与弦长之比。
梢根比:机翼或其他升力面的梢弦与根弦的比值。
后掠角:后掠角是指从机翼平均气动弦长连线自翼根到翼尖向后歪斜的角度。
图片2.png
尾翼:操纵飞机的俯仰和偏转。是飞机稳定性的重要组成部分。尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼,水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成,垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵组成。
常见的尾翼布局有倒T型尾翼、T型尾翼和V型尾翼。
图片2.png

起落装置:
起落装置用于飞机的起飞、着陆和滑行并支撑飞机。
飞机的前轮可偏转,用于地面滑行时控制方向。
飞机的主轮上装有各自独立的刹车装置。


起落架一般分为前三点式和后三点式。固定式和可收放式。滑雪板和浮筒是雪地飞机和水上飞机所特有的起落装置。
图片2.png

动力装置:
产生拉力或推力。发动机带动的发电机为飞机用电设备提供电源,从发动机引入的热气流可用于座舱加温或空调系统。
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2.2翼升力的产生
2.2.1翼剖面的形状——翼型
将机翼沿着流速方向剖开看到翼型,将翼型的前缘和后缘连起来叫翼弦
图片2.png
2.2.2升力的产生的原理
上翼面管道变窄,流速提高,压强减小。
下翼面管道变宽,流速降低,压强增大。
上下翼面形成压强差,产生升力。

迎角是相对气流方向与翼弦之间的夹角。
迎角越大,压强差越大,升力越大
流速越大,压强差越大,升力越大
应用连续性定理和伯努利分析:上表面前半段,由于翼外凸流管收缩使气流加速降压,而后半段流管扩张,因此压力在下降的基础上有所增加,但总体来看上表面压力较来流的压力降低了。下表面前半段,由于翼型的作用使气流受阻,流管扩张,使气流减速增压,而后半段,流管有些收缩但不显著。总的来说,下表面压力较来流升高了。因此,翼型的上下表面出现了压力差,在垂直于(远前方)相对气流向的分量,就是升力。
图片2.png

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 楼主| 发表于 2020-5-5 15:13:31 | 显示全部楼层
34192605@qq.com 发表于 2020-5-5 15:00
学习了,看了半天,哈哈谢谢

不谢不谢,我也是花了相当大的精力总结起来的
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 楼主| 发表于 2020-5-5 16:36:49 | 显示全部楼层
2.2.3影响升力的因素
升力的计算公式:
图片1.png
1. 翼面积S(在高度和流速相同的情况下,翼面积越大,升力越大)
2. 飞行速度V(相对于气流的流速)
3. 空气密度ρ(是航空器遵循空气动力学的原因)
4.升力系数Cy(是翼型、翼形状和迎角的组合关系)
图片1.png
失速是气流绕过翼型时发生附面层分离的结果。
2.2.4增升装置(用于实现低速起降)
原理:
1. 适当增大迎角
2. 改变翼型(增加弯度)
3. 增大机翼面积
4. 改变流动状态
2.3小结
1.连续方程和伯努利方程揭示了流体流动的基本规律。
2.翼型上下翼面产生压力差,一定范围内,迎角越大升力越大。
3.影响机翼升力的因素包括:V、S、ρ、α和翼型。
4.高升力、低阻力是气动设计的永恒目标。第三讲:飞机的阻力


3.1阻力

阻力是与飞机运动轨迹平行,与飞行速度方向相反的力。飞机平飞时,推力(拉力)与阻力相平衡。
图片1.png
3.2影响升力和阻力的因素
气动阻力与升力同时产生,通过阻力的计算公式:
图片1.png
,发现影响升力和阻力的因素几乎是相同的,分别是:翼面积S、速度V、空气密度ρ和升力系数Cy/阻力系数Cx。当然,也与翼型、翼形状、外形和迎角α有关。
因为阻力需要发动机产生足够的推力克服,阻力与航程、有效载荷、油耗和经济性密切相关,所以高升力,低阻力(高升阻比)是气动设计的永恒目标。同时,阻力也是发动机设计的目标。
3.3阻力的类型
阻力主要有4种,分别是:摩擦阻力、压差阻力、干扰阻力、诱导阻力和激波阻力,其中,前三种又称为废阻力。
3.3.1摩擦阻力
1.成因
由于紧贴飞机表面的空气受到阻碍作用而流速降低到零,根据作用力与反定律飞机必然受空气的反作用。这个力与飞行方向相,称为摩擦阻力。
摩擦阻力因空气粘性而产生,空气微团与飞行器表面发生摩擦,阻滞气流流动,产生摩擦阻力。(粘性:流体相邻流动层间滑动产生的内摩擦)
图片1.png

空气与空气流层间会产生摩擦,空气和飞行器表面也会产生摩擦。
观察上图,我们可以看到靠近管壁的空气微团流速慢而管道中央的流速快一些。若无内摩擦(粘性),则管道壁和中心流速相同。
2.影响因素
摩擦阻力的大小与附面层类型密切相关,此外还取决于空气与飞机的接触面积和表状况。影响摩擦阻力的因素总结为:
空气的粘性
物体表面的光滑程度(物体表面越粗糙,摩擦阻力越大)
气体流动状态/附面层的类型(紊流附面层的摩擦阻力大于层流附面层)
物体的表面积(表面积越大,摩擦阻力越大)
3.减阻措施
减小表面积、改进形态和光滑度

3.3.2压差阻力
1.成因:
物体运动时,物体前后压强不一致,因存在压强差而产生阻力。
①气流绕平板的流动:
气流流动到平板的表面,流速下降,动压下降,静压升高,在平板前方形成一个高压区,而气流绕过平板后,在平板后方因惯性分离,由于惯性,流体不会流到平板正后方,而是继续往后运动,形成一个在平板后面的低压区。这样,板前的高压区对着板后的低压区形成一个较大的压强差。
图片1.png
②气流绕翼型的流动:
气流流经翼型前缘时受到一定阻滞,然后流经上表面的气流开始加速,在翼型后部也会形成像平板一样的低压区。
图片1.png
2.影响因素
①物体的迎风面积
物体的迎风面积越小,压差阻力越小。
图片1.png
②物体的形状
如图,横截面积相同时,在同一流场中形成的压差阻力大小:平板>圆柱>翼型。
若将平板前部做成流线型,压差阻力将降为原有的1/5,若再将平板的后部也做成流线型,则压差阻力将降为原有的1/20。
图片1.png
总的来说,飞行器的压差阻力与迎风面积、迎角和形状有关。迎风面积大,压差阻力大;迎角越大,压差阻力越大。压差阻力在飞机总阻力的构成中所占比比例较小。
3.减阻措施
减小最大迎风面积,对各部件整流(做成流线型)
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1.成因
飞机的各个部件,如翼、身尾单独阻力之和小于把它们组合成一个整体所产生的阻力,这种由于各部件气流之间的相互干扰而产生额外阻力,称为干扰阻力。
干扰阻力在飞机的总阻力中所占比重较小。
图片1.png
2.减阻措施
①妥善布置各部件的相对位置
②在个部件间加装整流片
3.3.4诱导阻力(升致阻力)
1.翼尖涡
①方向:从下翼面绕着翼尖翻到上翼面。
②成因: 正常飞行时,下翼面的压强比上翼面高,在上下翼面压强差的作用下,下翼面的气流会绕过翼尖流向上翼面。下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面,就使下翼面的流线由机翼的翼根向翼尖倾斜,上面反之。(下转)
图片1.png
(上承)

由于上、下翼面气流在后缘处具有不同的流向,于是就形成旋涡,并在翼尖卷成翼尖涡,翼尖涡向后流即形成翼尖涡流。

注:翼尖涡又称尾涡,是飞机尾流的主要组成部分。
图片1.png

2.下洗流
由于两个翼尖涡的存在,会导致在翼展范围内出现一个向下的诱导速度场,称为下洗。下洗速度的存在,改变了翼型气流方向,使流过翼型的气流向下倾斜,这个向下倾斜的气流称为下洗流。
在亚音速范围内,这下洗速度场会覆盖整个飞机所处空间范围。
图片1.png
下洗流与相对气流之间的夹角称为下洗角ε。
下洗流与翼弦之间的夹角称为有效迎角,用αt表示。
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3.注意
①诱导阻力伴随着升力。
②二维翼型没有诱导阻力。(二维翼型是无限展长的机翼,其翼尖在无限远处)
③是三维机翼特有的现象。
④压强差生成翼尖涡,引起下洗流,造成附加阻力。小型飞机飞入大型飞机的尾涡区中会受到很强的扰动,甚至产生飞行事故。
4.诱导阻力的形成
由于翼尖涡和下洗速度场,导致总空气动力向后倾斜,即总空气动力沿飞行速度方向的分量增大。这一增加阻力即为诱导阻力。
诱导阻力的大小跟升力有关,升力越大,诱导阻力也越大
图片1.png
图片2.png
5.减阻措施:
增大展弦比。选择适当的平面形状。翼梢小翼装置。翼梢油箱布局。
图片1.png
3.3.4激波阻力(超声速飞行时的主要阻力
1.成因
飞行器超声速飞行时,对大气造成强烈的扰动和压缩,形成激波,并伴有极强的激波阻力。

2.影响Cx的因素
①激波类型 ②飞行马赫数 ③飞行器外形

3.减阻措施
①采用尖前缘、薄、对称翼型
②头锥形体
③机翼后掠或前掠
④表面光滑
图片1.png
3.3.5超声速飞行
1.预备知识
①可压缩性:气体的压强或温度改变时,其密度和体积改变的性质。
②声速C:声波在媒介中的传播速度同媒介的压缩性有关。
③马赫数Ma = 其中,v为相对气流的速度。
2.Ma与飞行速度的关系
Ma <0.4 低速飞行
0.4< Ma <0.85 亚声速飞行(和飞行器外形有关,若不那么流线型,该值会降低)
0.85< Ma <1.3 跨声速飞行(流场中同时存在亚声速和超声速气流)
1.3< Ma <5.0 超声速飞行(流场中完全是超声速气流)
Ma >5.0 高超声速飞行
3.激波
将一个小物块扔入水中会产生水波,那在空气中运动的物体会不会产生空气波呢?答案是肯定的。
如下图所示,声波源V=0的情况下,空气波以同心圆的形式传播,若以亚声速运动,则产生的空气波不是同心圆。
图片1.png
超声速飞行时,空气遭到强烈的压缩形成激波。
如下图所示,气流通过激波面后各参数的变化

声波源以声速运动,产生的扰动波的形式是相切的圆。若以超声速运动,则产生的干扰波集中在马赫锥里。
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激波阻力
如图所示,空气通过激波时受到很强的阻滞,速度急剧减小,压力、温度和密度急剧增大,伴随有巨大的能量损失,产生激波阻力。

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 楼主| 发表于 2020-5-5 16:41:57 | 显示全部楼层
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激波类型
激波分为正激波和斜激波。气流通过正激波时产生的波阻比通过斜激波时产生的波阻大。
图片1.png
正激波:波面与气流方向接近于垂直,气流通过正激波时,流速由超声速降为亚声速。正激波是最强的激波,激波阻力最大。(如图1所示)
斜激波:波面沿气流方向倾斜,气流流速降为亚声速或超声速,流速方向折转,激波较弱,激波阻力小,但比之前的几种还是要大。(如图2所示)
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4.临界马赫数和局部激波
飞机飞行时,当随飞行速度增大,上翼面压力最低点的速度等于此点上的音速时的飞机飞行马赫数称为临界马赫数。或者说,整个流场的最大马赫数达到1时,所对应的来流马赫数就称临界马赫数。
临界马赫数一定小于1。
流场中某个点已经出现了等声速点,这点的出现时间是界定临界马赫数的时刻,这点前面的来流速度就称为临界马赫数。当速度再增加就会在最大速度点附近产生局部激波,气动阻力大幅增加。
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当速度大于临界速度时,会出现一个局部超声速区,局部激波阻力大幅增加。所以,临界马赫数是翼型和飞行器设计的重要参数,决定了高亚声速飞行器的设计水平。
5.减阻措施
①采用尖前缘、薄、对称翼型
②锥形头部
③后掠翼或前掠翼
④光滑表面
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 楼主| 发表于 2020-5-5 16:43:17 | 显示全部楼层
章:飞机的平衡与稳定性


第一讲:飞机的平衡
第二讲:飞机的俯仰稳定性
第三讲:飞机的侧向稳定性


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发表于 2020-5-5 16:50:07 来自手机 | 显示全部楼层
好东西啊,此贴必火
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 楼主| 发表于 2020-5-5 16:54:08 | 显示全部楼层
第一讲:飞机的平衡
飞机飞行状态的变化,是力和力矩作用的结果。力矩在物理学里是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向,力矩能够使物体改变其旋转运动。力矩是矢量,的单位是牛顿-米,力矩等于径向矢量与作用力的向量积。

1.1飞机的重心和机体轴
飞机的运动总能看成是飞机重心的移动和飞机各部件绕机体轴的转动。飞机上各个部分的重力的合力着力点叫飞机的重心。飞机有三根机体轴:纵轴、横轴和立轴。它们都穿过飞机的重心,并相互垂直。飞机绕纵轴的运动称为滚转,绕立轴的运动称为偏转,绕横轴的运动称为俯仰。
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1.2飞机的平衡
飞机的平衡包括了作用力的平衡和力矩的平衡两方面。具体来说分为俯仰平衡、方向平衡和横侧平衡。

1.2.1飞机的俯仰平衡
俯仰平衡指作用于飞机的各个俯仰力矩之和为零,此情况下飞机的迎角保持不变。飞机飞行时,机翼、水平尾翼和发动机产生的拉力或推力等都会形成俯仰力矩。
机翼上产生的俯仰力矩的大小主要取决于飞机重心的位置,迎角和飞机构型。机翼一般产生下附力矩,但重心后移较多时将产生上仰力矩。(图1)
正常飞行时水平尾翼产生负升力,为上仰力矩。在迎角较大时可能产生下俯力矩。水平尾翼产生的俯仰力矩的大小主要取决于机翼迎角、升降舵的偏转角度和流向水平尾翼的气流速度。(图2)
发动机产生拉力或推力,若产生的力的作用线不通过飞机重心,那么它将绕重心产生俯仰力矩。
飞机的俯仰平衡易在加减油门、收放襟翼、收放起落架和重心变化的时候被破坏。加减油门不仅改变拉力或推力的大小,还影响机翼和水平尾翼力矩的大小。开启襟翼时,机翼的升力增大,升力的作用点后移导致下附力矩增加。开启襟翼还会使下洗的作用增大,使水平尾翼上的负升力增加,这样飞机的上俯力矩增大。所以,襟翼收放对飞机俯仰平衡的影响是多方面的。收放起落架时,飞机的重心位置发生变化,起落架带来的附加阻力会影响飞机的俯仰平衡。
适当偏转升降舵改变升降舵上的俯仰操纵力矩可以维持飞机的俯仰平衡。
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1.2.2飞机的方向平衡
飞机的方向平衡指作用在飞机上的各个偏转力矩之和为零,侧滑角不变或侧滑角为零。(侧滑是指相对气流方向与飞机对称面不一致的飞行状态)
两侧机翼的阻力不同和两侧发动机产生的推力或拉力不同等会使飞机产生偏转力矩。通过偏转方向舵改变方向操纵力矩可以维持飞机方向平衡。
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1.2.3飞机的横侧平衡
飞机的横侧平衡指作用在飞机上的各个滚转力矩之和为零,坡度不变。两侧机翼产生的的升力会对重心构成滚转力矩,螺旋桨的反作用力矩也会对重心构成滚转力矩。两侧机翼升力不同将破坏飞机的横侧平衡,油门大小变化和重心位置的变化都将影响飞机的横侧平衡。
通过偏转副翼改变横侧操纵力矩可以维持飞机横侧平衡。航模的螺旋桨和涵道风扇等在转动时由于风叶受空气阻力而于轴产生反力矩作用于机身,使机身有沿着与风叶旋转方向相反方向旋转的趋势,通常在飞行时也通过偏转副翼来抵消。

第二讲:飞机的俯仰稳定性
2.1稳定性概念及条件
2.1.1单摆的稳定性
下垂的单摆是稳定的,因为其受到稳定力矩和阻尼力矩的共同作用。一旦摆锤偏离原平衡状态,重力分力形成的力矩会使摆锤回到原平衡位置。此外,摆锤在摆动过程中还受到空气阻力形成的力矩作用。单摆在这两个力矩的共同作用下最终回到原平衡状态。

2.1.2单摆的稳定性分析
物体受扰偏离原平衡状态后,自动出现的、力图使物体回到原平衡状态的、方向始终指向原平衡位置力矩,称为稳定力矩。物体受扰后的运动过程中,自动出现的、力图使物体最终回到原平衡状态的、方向始终与运动方向相反的力矩,称为阻尼力矩。
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2.1.3倒立单摆的稳定性
倒立的单摆不具备这两个力矩,因此是不稳定的。
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飞机的稳定性是指:飞机受到小扰动(包括阵风扰动和操纵纵扰)后,偏离原平衡状态,并在扰动消失后,飞行员不给于任何操纵,飞机自动恢复原平衡状态的特性。飞机的稳定性包括俯仰稳定性、方向稳定性和横侧稳定性。下图三架为具有不同稳定性的飞机受到相同的扰动后的飞行轨迹。对于飞机设计者来说,我们希望飞机具有良好的稳定性。
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2.3飞机的俯仰稳定性
飞机的俯仰稳定性指的是飞机在飞行中受微小扰动以至俯仰平衡遭到破坏,在扰动消失后飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性。

2.4俯仰稳定力矩的产生
俯仰稳定力矩主要由平尾产生。正常布局的飞机的平尾安装角通常要比机翼的安装角更小。这样的设计是为了确保平尾能产生俯仰稳定力矩,从而保持飞机的俯仰平衡。
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假设一架飞机受到上升气流的扰动。此时飞机机头抬起。这时,平尾的迎角增大使平尾产生的升力增加,这个由平尾产生的附加升力相对重心产生了一个向下的下俯力矩使飞机低头。
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3.1.2方向阻尼力矩
方向阻尼力矩主要由垂尾产生。
飞机转动的过程中,垂尾处出现附加侧向气流速度分量,导致垂尾出现侧力,形成的力矩起到阻碍转动的作用,称方向阻尼力矩。
飞机的方向稳定性只能保持侧滑角,而不能保持飞机的航向不变,因此也称风标稳定性。
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3.2飞机的横向稳定性
飞机的横向稳定性,指的是飞机飞行中受微小扰动以至横向平衡遭到破坏,在扰动消失后飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性。
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3.2.1机翼产生的横侧稳定力矩
横侧稳定力矩主要由侧滑中机翼的上反角和后掠角产生。上反角产生的横向稳定力矩:上反角情况下,侧滑前翼的迎角更大,升力大于侧滑后翼的升力,从而产生绕纵轴的横向稳定力矩。后掠角产生的横向稳定力矩:后掠角情况下,侧滑前翼的有效分速大因而升力大于侧滑后翼的升力,从而产生横向稳定力矩。侧滑前翼的升力大于侧滑后翼的升力,是机翼能够具有横向稳定性的必要条件。
上单翼飞机横向稳定性强,下单翼飞机横向稳定性弱。
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3.2.2垂尾产生的横侧稳定力矩
侧滑中,垂尾产生的侧力对重心形成的滚转力矩也是横向稳定力矩。
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3.3横向阻尼力矩
飞机的横向阻尼力矩主要由翼产生。飞机在受扰动后的转动过程中,由于机翼存在附加上、下气流分量,使两翼迎角不等,从而导致两翼升力不相等,这一阻尼力矩对飞机的转动起阻碍作用。
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3.4飞机方向稳定性和横侧稳定性的关系
飞机的方向稳定性与横向稳定性是相互耦合的,要相互配合。
飞机的横向稳定性过强而方向稳定性过弱,易产生明显的飘摆现象,称为荷兰滚。
(飞机受扰左倾斜 →左侧滑,若横向稳定性强 →飞机迅速改平坡度;方向稳定性弱 →飞机左偏的速度慢,未等左侧滑消除,飞机又带右坡度 →右侧滑。)
飞机的横向稳定性过弱而方向稳定性过强,在受扰产生倾斜和侧滑后,易产生缓慢的螺旋下降。(飞机受扰左倾斜 →左侧滑,若横向稳定性弱 →飞机改平坡度慢;方向稳定性强 →飞机左偏的速度快 → 快速左偏导致右翼升力大 → 飞机难于改平左坡度。 最终导致飞机进入缓慢的盘旋下降过程,称螺不稳定。)

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 楼主| 发表于 2020-5-5 16:58:21 | 显示全部楼层
所有完结!
再次致谢我亲爱的父母,在他们的支持下和我一起总结并排版完了此贴!
有好多对我来说是高中甚至是大学的知识点都在他们的帮助下完成了!
{:1_1:}{:1_1:}

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你有伟大的父母,当你成为国家首席航天专家的时候,这是你起步的地方呵呵  详情 回复 发表于 2020-5-5 17:10
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 楼主| 发表于 2020-5-5 17:05:16 | 显示全部楼层
欢迎大家的收藏与转发!
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发表于 2020-5-5 17:10:11 | 显示全部楼层
神经李老头 发表于 2020-5-5 16:58
所有完结!
再次致谢我亲爱的父母,在他们的支持下和我一起总结并排版完了此贴!
有好多对我来说是高中甚至 ...

你有伟大的父母,当你成为国家首席航天专家的时候,这是你起步的地方呵呵
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 楼主| 发表于 2020-5-5 18:18:42 | 显示全部楼层
飞来峰 发表于 2020-5-5 17:10
你有伟大的父母,当你成为国家首席航天专家的时候,这是你起步的地方呵呵 ...

此处应有BGM
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发表于 2020-5-5 19:27:28 来自手机 | 显示全部楼层
楼主辛苦了,学习学习
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发表于 2020-5-6 07:54:43 | 显示全部楼层
好东西,必须收藏。谢谢啦!
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发表于 2020-5-6 19:07:45 | 显示全部楼层
加管理员微信moz8com,狼哥有事找你
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 楼主| 发表于 2020-5-6 22:35:33 | 显示全部楼层
飞天狼 发表于 2020-5-6 19:07
加管理员微信moz8com,狼哥有事找你

狼哥什么事?这几天刚开学,很忙
能不能周末找你,不好意思啊!

点评

好的随便你时间  详情 回复 发表于 2020-5-7 10:23
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