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飞行的基本规律

 mickeychow805 2020-09-18
飞行的基本规律

航空维修专业者,每天和你分享不一样的飞机新鲜事!

关于飞机为什么和怎么样飞起来的基本规律,从莱特兄弟的第一架飞机到现代的隐形轰炸机,从遥控飞机到真飞机,其实都是一样的。虽然飞机的真实运动规律非常复杂,但我们完全可以把它简化成我们能理解的样子,从而至少知道怎样把飞机飞起来。

1.空中受力

基本上只有四种空中受力:升力、阻力、动力和重量。

简单而言,阻力是空气对的机身向后推力,动力是马达提供的向前推力,升力是空气提供的向上的托力,而重量使飞机向下沉。所以,飞机要飞起来并在空中滞留,动力必须大于阻力,而升力必须大于重量。诚如您所见到的那样,动力和阻力作用相反,而升力和重量作用相反。

当然,上面讲的,是起飞或爬升时的情况。但是,当飞机水平直飞时,升力应该和重量相当。在下降过程中,重量超过升力。而要使飞机慢下来,阻力必须克服动力。下图展示了这四种力对飞机的作用。

飞行的基本规律

动力由飞机的引擎(螺旋桨或喷气)产生,重量由重力产生,阻力由飞机机体与空气分子的摩擦产生,升力由飞机机翼提供。

关于升力,理论上还有许多争议,但这里也有一些公认的规律。

典型的机翼横剖面,将显示,上表面比下表面的曲度(译者:带点弧度)要大的多。这种轮廓被称为“翼型”(aerofoil)。而这种翼型之所以存在,是因为它已经久经验证(从飞行的曙光出现以来),它使向上的空气作用力大于向下的空气作用力,即能更有效地产生升力。

在飞行过程中,气流的自然流动,被机翼分成了上层气流和下层气流两个部分。任何偏转将会导致不同的空气压力(或压力梯度)。由于翼型的存在,上层气流施加于机翼的压力,将比下层气流的小,所以机翼就从压力大的位置被推向压力小的位置,或者说,机翼就被“吸”到上边去。

其中一个有争议的升力理论与牛顿第三定律有关,飞机相对于机翼下方的空气产生了作用力,因此飞机也会受到相应的反作用力,而被“托”起来。这也许有点道理,但上下层空气的压力差才是升力产生的主要原因。

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上图:翼型上的各种空气作用

如果您想自己做试验来产生一些升力,那么,尽管是一种不同的方式,拿一张纸放到嘴边,用力吹气,然后您就会看到纸片被“吸”到上面来了。因为您吹走了上层的空气分子,而使上层空气变得稀薄,于是向下的压力就变小了,所以向上的压力就能产生升力。

当然,机翼上产生升力的原理,远比这个复杂,但最后结果是一样的。

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上图:自己做个升力试验

机翼相对于空气的运动越快,产生的升力越大,相反,速度越慢,升力越小。这点非常重要。当然,针对不同的飞行速度,有不同的机翼设计(翼型和样子),从而产生不一样的升力。

升力的另一个直接作用就是产生向后作用的阻力,这也跟空速有关。所以,为了能产生更高的效率,在翼型设计上,要使升力最大化,而使阻力最小化。

2.攻角和升力

产生升力的另一个关键因素是攻角。这是一个机翼相对于周围的水平气流的俯仰角。参见更前面的示意图。

随着攻角的增加,将产生越来越大的升力,但很快来到一个临界点上,升力不增反减。这时候,就会产生机翼失速现象,而机身的重量也不再被“托”起。

当失速发生时,掉高度是无可避免的。直至驾驶员采取正确的措施来增加空速(通过减小机头的抬起角度,和加大动力),以重新获取升力。

攻角和翼型,在升力的产生过程中同等重要。事实上,由于攻角(A0A,即attack of angle)的作用,平面翼也能产生足够的升力。但最大的不同在于产生升力的效率。那时候,平面翼会产生更大的阻力。

原文链接:http://www./how-airplanes-fly.html

在文中,有一个关于飞机空中受力的演示视频。

3.飞机舵面

根据飞机飞行的控制方式,舵面是必须的。四个主要的舵面(副翼、升降舵、方向舵和襟翼)如下图所示:

飞行的基本规律

要了解每个舵面的作用,首先想象出贯穿机体的三条轴线(即上图所示的蓝色线条)。一条横轴,从左翼尖到右翼尖,一条纵轴,从机头到机尾,一条垂直轴,从下到上。三条轴线都经过飞机重心(Center of Gravity,简写为CoG),即飞机上的关键平衡点。

当飞机向前飞行时,它会对舵面运动做出响应,即绕轴线旋转。下表说明了相应的动作。

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下面部分说明飞机运动与舵面运动的关系。

4.副翼与横滚

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副翼位于左右机翼的后缘,控制飞机绕纵轴滚转。规则是:同时反向偏转。如,左副翼上偏则右副翼下偏,左机翼下偏则右副翼上偏。

这样的规则导致:上偏副翼所在的机翼,升力下降;而下偏机翼所在的机翼,升力上升。因为这些微妙的变化,飞机将被迫向相应方向滚转。如,当操作员把副翼摇杆往左打时,左副翼上偏,飞机向左滚转。副翼由RC发射机上相应摇杆的左/右运动来控制。

5.升降舵和俯仰

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升降舵位于水平尾翼的后缘。和副翼的情形一样,升降舵面上偏或下偏,将使机头上抬或下沉。

推杆(译者:当把RC发射机拿到面前时,把升降摇杆在RC发射机表面向上推,即相对于您向前推)使升降舵面下偏,机头下沉;拉杆(译者:当把RC发射机拿到面前时,把升降摇杆在RC发射机表面上向下拉,即相对于您向后拉)使升降舵面上偏,机头上抬。和副翼不一样,左右升降舵面要么一起上偏,要么一起下偏。

6.方向舵和偏航

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方向舵位于垂直尾翼的后缘。方向摇杆往左打,方向舵面就会向左偏转,从左边撞击过来的空气,就会使机头左转;方向摇杆往右打,方向舵面就会向右偏转,从右边撞击过来的空气,就会使机头右转。

7.襟翼

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襟翼位于机体和副翼之间,主要作用是在空速较低时产生更大的升力,这样能使飞机在严重减速时不至于失速坠落。更进一步,襟翼能产生更大的阻力,比只是减少油门时还要大,这样就能使飞机慢下来。虽然失速的风险一直存在,但当使用襟翼时,如,使之向下偏转10度,这样,即使失速,飞机也不会那么快坠落,即给飞行员一点缓冲时间来把飞机救回来。显然,不同的飞机,有不同的失速速度和安全空速。

8.结语

以上就是飞机为什么和怎么样飞起来的规律了。当然,在遥控飞机可以更为简单,如,只有方向舵和升降舵,或者只有方向舵和马达功率控制。但不管飞机的大小,形状和设计如何不同,基本的工作规律还是一样的。

来源:网络

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