全面分析飞机在飞行过程中的各种阻力和升力

    飞机升力和阻力的产生

    飞机在空气中运动或者空气流过飞机时，就会产生作用于飞机的空气动力，飞机各部分所受到的空气动力的总和，叫总空气动力，通常用R表示。一般情况，这个力是向上并向后倾斜的，根据它所起的作用，可将它分解为垂直于相对气流方向和平等于相对气流方向的两个分力。垂直方向的力叫升力，用Y表示。升力通常是起支托飞机的作用。平等方向阻碍飞机前进的力叫阴力，用X表示。

    飞机的升力绝大部份是机翼产生的，尾翼通常产生负升力，飞机其它部份产生的升力很小，一般都不考虑。至于飞机的阻力，只要是暴露在相对气流中的任何部件，都是要产生的。

    一、升力的产生

    从流线谱可以看出：空气流到机翼前缘，分成上、下两股，分别沿机翼上、下表面流过，而在机翼后缘重新汇合向后流去。在机翼上表面，由于比较凸出，流管变细，说明流速加快，压力降低。在机翼下表面，气流受到阻挡作用，流管变粗，流速减慢，压力增大。于是，机翼上、下表面出现了压力差，垂直于相对气流方向的压力差的总和，就是机翼的升力。

    机翼升力的着力点，即升力作用线和翼弦的交点，叫压力中心。

    机翼各部位升力的大小是不同的，要想了解机翼各个部位升力的大小，就需知道机翼表面压力分布的情形。

    机翼表面压力的颁可通过实验来测定。凡是比大气压力低的叫吸力（负压力），凡是比大气压力高的叫压力（正压力）。机翼表面各点的吸力和正压力都可用向量表示。向量的长短表示吸力或正压力的大小。向量的方向同机翼表面垂直，箭头方向朝外，表示吸力；箭头指向机翼表面，表示正压力。将各个向量的外端用平滑的曲线连接起来。压力最低（即吸力最大）的一点，叫最低压力点。在前缘附近，流速为零，压力最高的一点，叫驻点。

    机翼压力分布并不是一成不变的。如果机翼在相对气流中的关系位置改变了，流线谱就会改变，机翼的压力分布也就随之而变。

    机翼升力的产生主要是靠上表面吸力的作用，而不是主要靠下表面的压力高于大气压的情况下，由上表面吸力所形成的升力，一般占总升力的60%到80%左右，而下表面的正压力所形成的升力只不过占总升力的20%到40%左右。如果下表面的压力低于大气压力产生向下的吸力，则机翼总升力就等于上表面吸力减去下表面的吸力。在此情况下，机翼升力就完全由上表面吸力所形成。

    二、阻力的产生

    阻力是与飞机运动方向相反的空气动力，起着阻碍飞机前进的作用，按其产生的原因可分为摩擦，产生一个阻止飞机前进的力。这个力就是摩擦阻力。

    摩擦阻力是在“附面层”（或叫边界层）内产生的。所谓附面层，就是指，空气流过飞机时，贴近飞机表面、气流速度由层外主流速度逐渐降低为零的那一层空气流动层。附面层是怎样形成的呢？原来是，当有粘性的空气流过飞机时，紧贴飞机表面的一层空气，与飞机表面发生粘性摩擦，这一层空气完全粘附在飞机表面上，气流速度降低为零。紧靠这静止空气层的外面第二气流层，因受这静止空气层粘性摩擦的作用，气流速度也要降低，但这种作用要弱些，因此气流速度不会降低为零。再往外，第三气流层又要受第二气流层粘性摩擦的作用，气流速度也要降低，但这种作用更弱些，因此气流速度降低就更少些。这样，沿垂直于飞机表面的方向，从飞机表面向外，由于粘性摩擦作用的减弱，气流速度就一层一层的逐渐增大，到附面层边界，就和主流速度相等了。这层气流速度由零逐渐增大到主流速度的空气层，就是附面层。附面层内，气流速度之所以越贴近飞机表面越慢，这必然是由于这些流动空气受到了飞机表面给它的向前的作用力的作用的结果。根据作用和反作用定律，这些被减慢的空气，也必然要给飞机表面一个向后的反作用力，这就是飞机表面的摩擦阻力。

    附面层按其性质不同，可分为层流附面层和紊流附面层。就机翼而言，一般在最大厚度以前，附面层的气流各层不相混杂而分层的流动。这部份叫层流附面层。在这之后，气流流动转变为杂乱无章，并且出现了旋涡和横向运动。这部份叫率流附面层。层流转变为紊流的那一点叫转捩点。附面层内的摩擦阻力与附面层的性质有很大关系。实验表明，紊流附面层的摩擦阻力要比层流附面层的摩擦阻力大得多。因此，尽可能在机翼上保持层流附面层，对于减小阻力是有利的。所谓层流翼型，就是这样设计的。

    总的说来，摩擦阻力的大小，决定于空气的粘性，飞机的表面状况，以及同空气相接触的飞机的表面积。空气粘性越大，飞机表面越粗糙，飞机表面积越大，摩擦阻力就越大。

    （二）压差阻力

    人在逆风中行走，会感到阻力的作用，这就是一种压差阻力。

    空气流过机翼时，在机翼前缘部分，受机翼阻挡，流速减慢，压力增大；在机翼后缘，由于气流分离形成涡流区，压力减小。这样，机翼前后便产生压力差，形成阻力。这种由前后压力差形成的阻力叫压差阻力。机身、尾翼等飞机的其它部件都会产生压差阻力。

    为什么在机翼后缘会出现气流分离呢？其根本原因是空气有粘性，空气流过机翼的过程中，在机翼表面产生了附面层。附面层中气流速度不仅要受到粘性摩擦的阻滞作用，而且还要受到附面层外主流中压力的影响。附面层中，沿垂直于机翼表面方向的压力变化很小，可认为是相等的，且等于层外主流的压力。在最低压力点之前，附面层外主流是从高压区流向低压区，沿途压力逐渐降低，即形成顺压，气流速度是不断增大的。附面层内的气流虽受粘性摩擦的阻滞作用，使之沿途不断减速，但在顺气压的推动下，其结果气流仍能加速向后流去，但在顺气压的推动下，其结果气流仍能加速向后流去，但速度增加不多。在最低压力点（E）之后情况就不一样了。主流是从低压区流向高压区，沿途压力越来越大，即形成反压，主流速度是不断减小的。附面层内的气流除了要克服粘性摩擦的阴滞作用外，还要克服反压的作用，因此气流速度迅速减小，到达某一位置，附面层底层空气就会完全停止下来，速度降低为零，空气再不能向后流动。在S点之后，附面层底层空气在反压作用下开始向前倒流。于是附面层中逆流而上的空气与顺流而下的空气相顶碰，就使附面层气流脱离机翼表面，而卷进主流。这时，就形成大量逆流和旋涡而形成气流分离现象。这些旋涡一方面在相对气流中吹离机翼，一方面又连续不断地在机翼表面产生，如此周而复始地变化着，这样就在分离点之后形成了涡流区。附面层发生分离之点（S点），叫做分离点。

    这种旋涡运动的周期性，是引起飞机机翼、尾翼和其它部分生产振动的重要原因之一。

    为什么机翼后缘涡流区中压力会有所减小呢？道德我们要明确，这里指的涡流区压力的大小，是和机翼前部的气流相比而言的。如果空气流过机翼上下表面不产生气流分离，则在机翼后部，上下表面气流重新汇合，流速和压力都会恢复到与机翼前部相等。这样，机翼前、后不会出现压力差而形成压差阻力。然而事实不是这样，当空气流到机翼后部会产生气流分离而形成涡流区。涡流区中，由于产生了旋涡，空气迅速转动，一部分动能因摩擦而损耗，即使流速可以恢复到与机翼前部的流速相等，而压力却恢复不到原来的大小，比机翼前部的压力要小。例如汽车开过，在车身后的灰尘之所以被吸起，就是由于车身后面涡流区内的空气压力小的缘故。

    根据实验的结果，涡流区的压力与分离点处气流的压力，其大小相差不多。这就是说：分离点靠机翼后缘，涡流区的压力比较大；分离点离开机翼后缘越远，涡流区的压力就越小。可见，分离点在机翼表面的前后位置，可以表明压差阻力的大小。

    总的说来，压差阻力与物体的迎风面积、形状和物体在气流中的相对位置有很大关系。迎风面积越大，压差阻力越大。象水滴那样的，前端园钝，后面尖细的流线形物体，压差阻力最小。物体相对于气流的角度越大，压差阻力越大。

    由上面的分析可知，摩擦阻力和压差阻力都是由于空气的粘性面引起产生的阻力，如果空气没粘性，那么上面两种阻力都将不会存在。

    （三）诱导阻力

    机翼上除了产生摩擦阻力和压差阻力以外，由于升力的产生，还要产生一种附加的阻力。这种由于产生升力而诱导出来的附加阻力称为诱导阻力。可以说，诱导阻力是为产生升力而付出的一种“代价”。

    诱导阻力是怎样产生的呢？

    当机翼产生升力时，机翼下表面的压力比上表面的大，而机翼翼展长度又是有限的，所以下翼面的高压气流会绕过两端翼尖，力图向上翼面的低压区流去。当气流绕过翼尖时，在翼尖部份形成旋涡，这种旋涡的不断产生而又不断地向后流去即形成了所谓翼尖涡流。

    翼尖涡流使流过机翼的空气产生下洗速度，而向下倾斜形成下洗流。气流方向向下倾斜的角度，叫下洗角。

    由翼尖涡流产生的下洗速度，在两翼尖处最大，向中心逐渐减少，在中心处最小。这是因为空气有粘性，翼尖旋涡会带动它周围的空气一起旋转，越靠内圈，旋转越快，越靠外圈，旋转越慢。因此离翼尖越远，气流下洗速度越小。

    在是常生活中，也可观察到翼尖涡流的现象。例如大雁南飞，常排成人字或斜一字形，领队的大雁排在中间，而幼弱的小雁常排在外侧。这样使得后雁处于前雁翅梢处所产生的翼尖涡流之中。翼尖涡流中气流的放置是有规律的，靠翼尖内侧面，气流向下，靠翼尖外侧，气流是向上的即上升气流。这样后雁就处在前雁翼尖涡流的上升气流之中，有利于长途飞行。

    从实验也可看出翼尖涡流的存在。当机翼产生正升力时，由于机翼下表面的压力比上表面的大，故空气从下翼面绕过翼尖翻到上翼面去世。因而处在两翼尖处的两个叶轮都放置起来，在左翼尖的向右放置（从机尾向机头看），在右翼尖的向左放置。升力增大，上下翼表面压力差增大，叶轮放置得更快。升力为零，上下翼面无压力差，叶轮不转动。若机翼产生负升力，则上民办面的压力比下翼面大，故两叶轮就会反转。

    飞行中，有时从飞机翼尖的凝结云也可看到翼尖涡流。因为翼尖涡流的范围内压力很低，如果空气中所含水蒸汽黑龙江省 膨胀冷却而凝结成水珠，便会看到由翼尖向后的两道白雾状的涡流索。

    升力是和相对气流方向垂直的。既然流过机翼的空气因受机翼的作用而向下华侨，则机翼的升力也应随之向后华侨。实际升力是和洗流方向垂直的。把实际升力分解成垂直于飞行速度方向和平等于飞行速度方向的两个分力。垂直于飞行速度方向的分力，仍起着升力的作用，这就是我们经常使用的升力。平等于飞行速度方向的分力，则起着阻碍飞机前进的作用，成为一部份附加阻力。而这一部分附加阻力，是同升力的存在分不开的，因此这一部分附加阻力称为诱导阻力。

    实践表明，诱导阻力的大小与机翼的升力和展弦比有很大关系。升力越大，诱导阻力越大。展弦比越大，诱导阻力越小。

    （四）干扰阻力

    实践表明，飞机的各个部件，如机翼、机身、尾翼等，单独放在气流中所产生的阻力的总和总是小于把它们组成一个整体时所产生的阻力。

    所谓干扰阻力，就是飞机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外的阻力。

    现我们以机翼和机身为例，看干扰阻力是怎样产生的。

    气流流过机翼和机身的连接处，在机翼和机身结合的中部，由于机翼表面和机身表面都向外凸出，流管收缩，流速迅速加快，压力很快降低。而在后部由于机翼表面和机身表面都向内弯曲，流管扩张，流速减慢，压力很快增高。这种压力的变化，就促使气流的分离点前移，并使机身和机翼结合处后部涡流区扩大，从而产生了一种额外的阻力。这一阻力是因气流的干扰而产生的，因此叫干扰阻力。

    不但机翼和机身结合处会产生干扰阻力，而且在机身和尾翼，机翼和发动机知舱，机翼和副油箱等结合处，都可能产生。

    为了减小干扰阻力，除了在设计飞机时要考虑飞机各部分的相对位置外，在机翼与机身、机身与尾翼等结合部，可安装整流包皮。这样可使连接处较为圆滑，流管不致过分扩张，而产生气流分离。

    以上我们把低速飞机所产生的四种阻力-摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力，分别作了介绍。这只是对低速飞机而言诉，至于高速飞机，除了也有这些阻力外，还将会产生波阴。

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