1、名師整理優秀資源第章航空飛行器基本飛行原理第一節飛行環境概述第二節流動流體的基本規律（2課時）飛行環境（20 min.）飛行器飛行時所處的環境條件，稱為飛行環境。飛行環境對飛行器的 飛行軌跡、結構、元件、材料、飛行性能以及作戰效率等都有十分有熟悉環境，利用環境，并設法克服或減小飛行環境的不利影響，才能保證飛行器飛行的&明顯的影響。只J準確性 /可靠性。橢球體；自轉；公轉垂直方向上特性變化顯著以大氣中溫度隨高度的分布為主要依據分層：1. 對流層空氣的對流運動很明顯，全部大氣約3/4質量，幾乎全部的水汽，天氣變化最復雜，對飛行影響最重要。各種天氣現象幾乎都出現在這一層中，如雷暴、濃霧、低云

2、幕、雨、雪、大氣湍 流、風切變等。2. 平流層氣流比較平穩，垂直運動遠比對流層弱，能見度較佳平流層的下部一一同溫層3. 中間層從平流層頂（大約 5055km ）伸展到80km高度。特點：氣溫隨高度增加而下降，空氣有相當強烈的垂直運動。在這一層的頂部氣溫可低至160190K。4. 熱層從中間層頂伸展到約 800km高度。空氣密度很小，聲波也難以傳播。氣溫隨高度增加而上升。另一個重要特征是空氣處于高度電離狀態。（極光。影響無線電通信。）5. 散逸層又稱逃逸層、外大氣層。是地球大氣的最外層，位于熱層之上。空氣極其稀薄；遠離地面，受地球的引力作用較小，大氣分子不斷地向星際空間 逃逸。航天器脫離這一層后

3、便進入太空飛行。原因：大氣的密度、溫度、壓強等項參數隨著地理位置、離地面的高度和季 節等變化。同一架飛機在不同地點或不同時間飛行，所顯示的飛行性能是 不一樣的。為了適應飛行器設計、試驗和分析_的需要，由國際權威性機構組織頒 布了一種“模式大氣”，它依據實測資料，用簡化方式近似地表示大氣溫度、 壓力和密度等參數的平均值，這就是國際標準大氣。主要內容：(1) 基本假設：大氣靜止，空氣是干燥潔凈的理想氣體。(2) 海平面大氣物理屬性等主要參數：海平面溫度to= 15C;海平面絕對溫度 To= 288.15 K;海平面空氣密度 p o= 1.225 kg/m3;海平面空氣壓力 p0= 101325 P

4、a；海平面音速a°= 340.294 m/s;標準重力加速度g0= 9.80665 m/s2;干燥空氣的氣體常數 R= 287.05278 J/(kg K)。(3) 大氣溫度隨高度變化的計算公式。(4) 大氣壓力隨高度變化的計算公式。(5) 空氣密度隨高度變化的計算公式。此外，還有粘性系數、分子碰撞頻率、分子量等。根據這些公式計算出來的數據排列成表即為國際標準大氣。流體的基本規律(1.5學時，70 min.)基于相對性原理建立簡化研究工作(例如：機在空中等速平飛時，可認為飛機是靜止的，周圍 的空氣相對其運動；風洞試驗時，模型固定不動，讓氣流吹過)限制：等速直線運動(不改變慣性坐標系)

5、將空氣看作連續介質。空氣分子的自由行程大約為6 x 10-6cm。飛行器的外形尺寸遠遠大于空氣分子的自由行程，故在研究飛行器和大氣 之間的相對運動時，空氣分子之間的距離完全可以忽略不計，即把空氣看 成是連續的介質。這就是空氣動力學研究中常說的連續性假設。隨著海拔高度的增加，空氣密度變小，空氣分子的自由行程越來越大。當飛行器在40km以下高度飛行時，可以認為是在稠密大氣層內飛行，這 時空氣可看成連續的。在120150km高度上，空氣分子的自由行程大約與飛行器的外形尺寸在同 一個量級范圍之內；在200km高度以上，氣體分子的自由行程有好幾千米。在這種情況下，大 氣就不能看成是連續介質了。大氣的狀態

6、參數：密度 p (kg/m3)、溫度 T (K)、壓強 p (Pa)。狀態方程：p = ?RT式中R 氣體常數，空氣為 287.05287 J/(kg K)。空氣的物理性質：(i)粘性空氣自身相互粘滯或牽扯的特性。本質上，粘性是流體內相鄰兩層間的內摩擦。粘性主要是由于氣體分子作不規則運動的結果。和溫度有關，溫度高，空氣分子 的不規則運動加劇，空氣的粘性大，反之就小(與液體相反)。(ii)壓縮性在壓力(壓強)的作用下或溫度改變的情況下，空氣改變自己的密度和體積的一種特性。低速時(Ma<0.3)，可以認為空氣是不可壓縮的。音波與音速：音波-疏密波(壓縮波、膨脹波相間)音波對流體來說是一種擾動

7、，這種振動引起流體壓強變化很微弱，是一種弱擾動。音速（聲速）-音波在流體中傳播速度。水中：1440 m/s；海平面標準大氣狀態下空氣中：340 m/s ；12km高空標準大氣狀態下空氣中：295 m/s。流體的可壓縮性越大，音速越小；而流體的可壓縮性越小，音速越大；在不可壓縮流體中，音速將趨于無窮大。即音速a可以作為壓縮性的指標。理論上推知，在絕熱過程中，大氣中的音速為a = 20 TT是空氣的熱力學溫度。隨著飛行高度的增加，空氣的溫度是變化的，音速a也將隨之變化，空氣的壓縮性也是變化的。馬赫數M流場中某點的速度和該點的當地音速之比，稱為馬赫數，用符號M或Ma表示。即M = v/a其中v是飛行

8、速度（或相對氣流速度），a是飛行高度上的當地音速。M數是空氣密度變化程度或者壓縮性大小的衡量標志M < 0.3的流動 一一低速流動，0.3 v M < 0.85亞音速流動，0.85v M < 1.3跨音速流動，1.3 v M < 5超音速流動；M > 5高超音速流動。流體所占據的空間稱為流場。大氣層就是一個很大的流場。流體的流動參數（或運動參數）：用以表征流體特性的物理量如速度、溫度、壓強、密度等。定常流動與非定常流動流場中任一點的任一個流動參數(如速度、壓強、密度等)隨時間而變化 的流動稱為非定常流動。流場中任一固定點的所有流動參數都不隨時間而變化的流動稱為定常

9、流動。有些非定常流動可以通過適當選擇參考坐標系而變為定常流動，因而不能看成是真正的非定常流動。 以飛機在靜止空氣中等速平飛的情況為例，在固連于地面的參考 坐標系中，空氣的流動是非定常流動；在固連于飛機的參考坐標系中，空氣的流動是 定常的。只有在飛機速度隨時間而變化的情況下，對飛機的繞流才是真正的非定常流動。嚴格來講，定常運動是不存在的。如果運動參數隨時間變化十分緩慢，則至少在 一段時間內可近似認為運動參數不變-“準定常運動” 流線：流場中某一瞬時的一族假想曲線，在任何一點的切線方向就是同一瞬時當地速度矢量的方向。特征：(i) 非定常流動時，由于流場中速度隨時都在變，經過同一點的流線的空間方位和

10、形 狀是隨時間改變的。(ii) 定常流動時，由于流場中各點流速不隨時間改變，所以同一點的流線始終保持不變，且流線與跡線(流場中流體質點在一段時間內運動的軌跡線)重合。(iii) 流線不能相交，也不能折轉。因為空間每一點只能有一個速度方向，所以不能有 兩條流線同時通過同一點。但有3種情況例外：在速度為零的點上，通常稱為駐點；在速度為無限大的點上，奇 點；流線相切點。流譜(流線譜)：某一瞬時流場中許多流線的集合構成的流動圖像流管流管是在流場中通過一封閉曲線上每一點的所有流線所形成的管，且每一條流線與該封閉曲線只有一個交點。在給定瞬時，流管中的流體就好像在一個固體管中流動一樣，因為流線上的流體質點總

11、是沿著流線的方向流動，它是不會穿過由流線形成的管壁的。在定常流動時，流管不隨時間而變，在非定常流動的情況下，流管隨時間而變。流束充滿在流管內的流體，稱為流束。低速流動的基本規律低速流動時，可以近似認為空氣是不可壓縮的，即密度保持不變。質量守恒定律流管內 定常流動時，m! = m2，即：= P2v2A連續性定理對于不可壓縮流動(低速時，氣體的流動即是不可壓縮流動)，密度不變(巴=P2 = P)則有VjA2Vi Ai = V2A2或 =J不作推導，只給出伯努利定理的結論Pi + 二 PiVi = P2 +匚卩2V2 = Po2 2由伯努利定理可以推論出，不可壓定常流動時，流速小的地方，壓強大；而流

12、速大的地方壓強小。伯努利定理同連續性定理一樣，伯努利定理的應用也是有條件的：(1) 理想流體(無粘)(2) 不可壓縮流(3) 定常流動(4) 在所考慮的范圍內，沒有能量的交換(5) 在同一條流線上或同一根流管上。(沒有物質交換)高速流動的基本規律與低速氣流有質的差別，根本原因是空氣具有壓縮性。空氣的壓縮性與流速的關系高速飛行中，空氣密度的變化很大，必須考慮空氣壓縮性的影響。都會分比。不論是低速或高速飛行，空氣流過飛機各處的速度和壓力發生改變，引起空氣密度的變化。(為什么要強調高速？)不冋流動速度時，機翼前緣駐點(氣流的速度等于零)空氣密度增加的百氣流速度(km/h)20040060080010001200空氣密度增加的 百分比( p / p )1.3%5.3%12.2%22.3%45.8%56.5%弱擾動的傳播，馬土土匕任 赫錐4種情況：(i) 擾動源靜止(v= 0)(ii) 擾動源亞音速運動(vv a)(iii) 擾動源以等音速運動(v= a)(iv) 超音速運動(v> a)