1第一章空氣動力學基礎知識第四單元飛機與飛機系統

第一章空氣動力學基礎學問

大氣層和標準大氣

地球大氣層

地球表面被一層厚厚的大氣層包圍著。飛機在大氣層內運動時要和四周的介質——空氣——發生關系，為了弄清晰飛行時介質對飛機的作用，首先必需了解大氣層的組成和空氣的一些物理性質。

依據大氣的某些物理性質，可以把大氣層分為五層：即對流層(變溫層)、平流層(同溫層)、中間層、電離層(熱層)和散逸層。

對流層的平均高度在地球中緯度地區約11公里，在赤道約17公里，在兩極約8公里。對流層內的空氣溫度、密度和氣壓隨著高度的增加而下降，并且由于地球對大氣的引力作用，在對流層內幾乎包含了全部大氣質量的四分之三，因此該層的大氣密度最大、大氣壓力也最高。大氣中含有大量的水蒸氣及其它微粒，所以云、雨、雪、雹及暴風等氣象變化也僅僅產生在對流層中。另外，由于地形和地面溫度的影響，對流層內不僅有空氣的水平流淌，還有垂直流淌，形成水平方向和垂直方向的突風。對流層內空氣的組成成分保持不變。

從對流層頂部到離地面約30公里之間稱為平流層。在平流層中，空氣只有水平方向的流淌，沒有雷雨等現象，故得名為平流層。同時該層的空氣溫度幾乎不變，在同一緯度處可以近似看作常數，常年平均值為攝氏零下度，所以又稱為同溫層。同溫層內集中了全部大氣質量的四分之一不到一些，所以大氣的絕大部分都集中在對流層和平流層這

兩層大氣內，而且目前大部分的飛機也只在這兩層內活動。

中間層從離地面30公里到80至100公里為止。中間層內含有大量的臭氧，大氣質量只占全部大氣總量的三千分之一。在這一層中，溫度先隨高度增加而上升，后來又下降。

中間層以上到離地面500公里左右就是電離層。這一層內含有大量的離子(主要是帶負電的離子)，它能放射無線電波。在這一層內空氣溫度從-90℃上升到1000℃，所以又稱為熱層。高度在150公里以上時，由于空氣特別淡薄，已聽不到聲音。

散逸層位于距地面500公里到1600公里之間，這里的空氣質量只占全部大氣質量的1011，是大氣的最外一層，因此也稱之為“外層大氣”。

大氣的物理性質

大氣的物理性質主要包括：溫度、壓強、密度、粘性和可壓縮性等。

氣體的壓強p是指氣體作用于容器內壁的單位面積上的正壓力。大氣的壓強是指大氣垂直地作用于物體表面單位面積上的力。

隨著高度的增加，由于大氣越來越淡薄，大氣的壓強漸漸降低。

氣體的溫度T表征氣體的冷熱程度，是與氣體分子運動親密相關的。溫度的度量單位常用攝氏溫標t和肯定溫標T來表示。從微觀來看，氣體分子作不規章的熱運動時，它的運動平均動能越大，則宏觀表現為溫度越高。氣體分子運動的平均動能與肯定溫度成正比。在肯定溫標零點，抱負氣體的分子熱運動就終止了。

單位體積物體所含有的質量稱為密度。在國際單位制中，密度的單位是千克/米3。空氣的密度與壓力的變化成正比，與溫度的變化成反比。隨著高度的增加，大氣的密度漸漸降低。

當氣體層間發生相對運動或氣體與物體間發生相對運動時，在氣體內部兩個流體層接觸面上或者在氣體與物體的兩個接觸面上，便產生相互牽扯和相互粘連的內摩擦力，

流體的這種性質稱為粘性。粘性是流體的固有屬性之一。

流體粘性力的大小可以用流體的粘性系數來表示。不同流體的粘性系數各不相同，同一流體的粘性系數也與溫度有關。液體的粘性系數隨溫度的上升而降低，而氣體的粘性系數則隨溫度的上升而增大。

流體在壓強或溫度轉變時，能轉變其原來體積及密度的特性，稱為流體的可壓縮性。

標準大氣

飛行中作用在飛機上的空氣動力和發動機推力，在其它條件相同的狀況下，取決于介質(大氣)的壓強、溫度及其它物理性質。大氣的壓強、密度和溫度等參數在地球表面不同的幾何高度上，在不同的緯度上，不同的季節，以及一天內不同的時間上是各不相同的。這樣一來，同一飛機在不同的時間、不同地點所進行的同一種綱目飛行的結果也就各不相同了。

為了便于作性能計算，便于整理飛行試驗數據，便于同一類飛機進行性能比較，國際航空界依據多年觀測北半球中等緯度區域內，各高度上的大氣壓強、溫度、密度等的年平均值的結果。將大氣參數加以模型化，制定了國際標準大氣表。

流體力學的基本概念

連續性假設

流體和一切物體都是由分子組成的，明顯分子之間是有空間的。從微觀的角度來看，流體的物理量在空間是不連續分布的，同時由于分子的隨機運動，又導致任一空間點上的流體物理量對于時間的不連續性。由此可見，流體物理量的分布，從微觀的角度來看，在空間和時間都是不連續的。

但是我們在流體力學中爭論的問題的特征尺寸(如飛機)往往遠大于流體的分子距

離。這樣，我們有理由引進流體的連續介質模型：即將真正的流體看成是由稠密而無間隙的連續介質所組成的。

流體既被看成是連續介質，則反映宏觀流體的各種物理量都是空間和時間的連續函數。因此，在以后的爭論中都可以引用連續函數的數學分析工具，來討論流體各種運動狀態下的有關物理量之間的數量關系。

當然，流體連續介質模型是一個具有相對意義的概念。依據上述連續介質模型，把介質看成是連綿一片的流體，介質所占據的空間里處處都彌散著這種介質，而不再有空隙。低速空氣動力學、高速空氣動力學，甚至超群音速空氣動力學都是在連續介質這樣一個模型下進行討論的。只有到了外層大氣，如在120—150公里的高度上，空氣分子平均自由行程(一個分子在與另一個分子發生碰撞前所行經的平均路程)大約與飛機的尺寸處于同一數量級，在200公里的高度上，分子的平均自由行程有好幾公里。這時空氣再也不能認為是連續介質了。

運動轉換原理

當飛機在原來靜止的空氣中作等速直線飛行時，將引起物體四周空氣的運動，同時空氣將給飛機以作用力。因此討論靜止氣流中飛機作等速直線運動所受的力問題可以轉變為讓飛機靜止，以一股直勻的氣流迎面吹來，兩者所受的力是相等的。這就是所謂的運動轉換原理。無論是試驗還是理論計算，這個原理都是常用的。

低速流淌特性

流體的連續性定理

在一個容器中布滿液體，把進口和出口的開關同時打開，讓液體從容器中經過剖面面積不等的管道流出，同時保持容器內液體表面的位置不變(如圖1-1所示)。這時，流

體的流淌是不隨時間而變化的，因而是穩定的流淌。假如流體流淌的速度不太高，把流體看作是不行壓縮的，即在流淌過程中流體的密度不發生變化。同時流體既沒有流入也沒有流出。那么，管道剖面面積小的地方流速大，而管道剖面面積大的地方流速小。

常量==222111ρρvsvs（1-1）

流體的伯努利定理

在上述流體的連續性試驗裝置中，假如在不同的剖面管道上裝有液體壓強計，則可以從壓強計內液面的凹凸得出不同剖面的管道內流體靜壓的大小。試驗表明：在管道剖面面積大的地方，流體的靜壓也大，在管道剖面面積小的地方，流體的靜壓也小。1738年瑞士物理學家伯努利首先推導出不同剖面的管道內流體的流速和靜壓之間的關系為

vpvpvp2333222221112

12121ρρρ+=+=+=常量(1-2)或pvp022

1=+ρ(1-3)上式稱為流體的伯努利方程。式中p稱為靜壓，v22

1ρ稱為動壓，而p0稱為總壓。這里需要指出的是，在推導流體的伯努利方程時，要求在管道中流淌的流體能量既不增加也不削減，因此它只能用于抱負流淌，即不考慮流體在流淌過程中的能量損失。

圖1-1管道中流體的流淌

1—容器；2—管道；3—進口開關；4—出口開關；5—玻璃管

流淌狀態

流體的流淌有兩種狀態：一種是流體微團分層地流淌，各層之間不相互混淆，稱為層流；另一種是流體微團作雜亂無章的運動，分不清層與層的界限，稱為紊流。

流體微團運動時，每一微團都要受到粘性力（與分子的熱運動有關）與慣性力（與微團加速度運動有關）的作用。粘性力起的作用占主導地位，流淌將呈層流狀態；慣性力起的作用占主導地位，流淌則由層流狀態轉變為紊流狀態。

附面層

當氣流流經物體(如機翼)時，由于實際氣體存在粘性，就在繞流物體的四周存在兩個不同的流淌區域，一是緊貼在物體表面的一個薄層(圖1-2之a)及尾跡(圖1-2之b)，另一是外部流淌區(圖1-2之c)。緊貼在物體表面的這個薄層稱為附面層，其厚度順著氣流是漸漸加厚的。在附面層內，必需考慮流體粘性的作用，而在外部流淌區，粘性的影響可以忽視，即可將流體視為抱負氣體。

圖1-3附面層內的流速分布圖1-2繞過機翼的粘性氣流

a－附面層；b—尾跡；c—自由流

若沿物體表面某點處的法線把附面層放大來看，可得到附面層內流速分布的圖象(如圖1-3所示)。在物體的表面處，流速為零，沿法線向外，流速漸漸增大，直到等于外部流淌的流速。通常把流速達到外部流速的99%這一點離表面的距離，稱為該處附面層的厚度δ。

在繞流物體的前緣，δ值為零，至后緣四周，δ達到最大值。一般狀況下，δ值約為繞流物體長度的1%左右。

按流體的流淌狀態，可以把附面層分成層流附面層和紊流附面層。常常遇到的是一種混合附面層狀態：在物體前部是層流附面層，而在后部則是紊流附面層(如圖1-4所示)。由層流附面層轉為紊流附面層的那一點稱為“轉捩點”，如圖1-4(c)中的T點所示。機身和機翼表面上的轉捩點位置將隨著流速的增大而前移。另外，物體表面越粗糙，轉

捩點越靠前。

上面說的是附面層沒有從物體表面分別的狀況。當氣流流過流線型較差的物體時，由于流速下降，壓強增大，漸漸使得后部的附面層加厚，以致使附面層中的氣流發生倒流，如圖1-5所示。圖中A點即為氣流分別點。附面層發生分別后，將在物體后部形成渦流區(如圖1-6所示)。附面層分別區和物體后部渦流區內的壓強要比物體前部的小，因此，物體前部受到的壓力要比后部受到的壓力大，于是就形成了所謂的“壓差阻力”，也稱為外形阻力。有關壓差阻力的概念，我們將在下一章中作具體的介紹。

圖1-4附面層流淌狀態圖

a－層流；b—紊流；c—混合附面層

圖1-5附面層的分別圖1-6渦流區

附面層發生氣流分別后，壓差阻力急劇上升，導致總阻力的迅猛增大。壓差阻力除與物體的形狀有關外，還與它的表面光滑度、來流速度的大小和來流初始紊流度有關。

由此可見，飛機的流線型形狀和光滑的表面對降低阻力具有極其重要的意義。

翼型

所謂翼型就是沿著飛機機身縱軸平行的方向剖一刀，所剖開來的剖面外形(通常也稱為“翼剖面”)，如圖1-7所示。所謂機身縱軸就是從機頭到機尾貫穿機身的那條軸線。一般翼剖面的前端圓鈍、后端尖銳，上邊較彎、下邊較平，上下不對稱，很象一條去掉尾巴的魚的外形。翼剖面最前端的一點稱為“前緣”，最終端的一點稱為“后緣”。前緣與后緣之間的連線稱為“翼弦”，也稱為“弦線”。翼弦或弦線的長度稱為弦長，通常用b來表示。

圖1-7翼型(翼剖面)

1—翼剖面；2—前緣；3—后緣；4—翼弦

影響翼型性能的最主要的參數是翼型的厚度和彎度。以翼弦為基礎，作若干條垂直線，每一條垂線在翼型內的長度即代表該處的翼型厚度。最長的垂直線就是最大厚度c。各垂直線中點用曲線連接起來，就得到所謂的“中弧線”。相應的翼型的上表面稱為“上弧線”，翼型的下表面稱為“下弧線”。中弧線離翼弦最遠的距離稱為最大彎度f(如圖1-8所示)。為便于比較不同翼型的厚度和彎度，通常采納相對厚度和相對彎度兩個無量

綱參數來表示。

圖1-8翼型的特征參數

飛機飛行時翼剖面與迎面氣流的相對位置用攻角來表示。所謂攻角就是指翼弦與迎面氣流(相對氣流)之間所夾的銳角(如圖1-8所示)。攻角通常也稱為迎角。

高速流淌特性

氣流在低速流淌時，密度的變化甚微，而在高速流淌時，密度的變化就特別顯著，必需考慮空氣可壓縮性的影響。

弱擾動的傳播和音速

說話時聲帶的振動，拉琴時琴弦的振動等都是對四周空氣的一種微弱擾動。由此引起的空氣密度等的微小變化將以肯定的速度向四周傳播，這個傳播速度就是音速。弱擾動在氣態介質中只能以縱波的形式向外傳播，其形態為氣體的壓縮和膨脹。

音速的大小與介質的被壓縮的難易程度有關，介質越難壓縮，其音速越快。在大氣的對流層內，空氣的密度隨著高度的增加而降低，因而也就越簡單被壓縮。所以，在對流層內音速隨高度的增加而降低。

弱擾動在氣流中的傳播和馬赫數

固定的弱擾動在靜止介質中的傳播，可以用圖1-9來表示。圖中的①、②、③等分別表示擾動源在觀看瞬間的前1秒、前2秒、前3秒時激發形成的擾動波面。它們組成

了以擾動源為圓心，na(n為正整數)為半徑的一族同心圓。這里所說的擾動源，是指可以引起空氣密度等微小變化的任何物體。例如，飛機表面任意一點都可以看作是擾動源。根據相對運動原理，弱擾動在氣流中的傳播相當于介質靜止而擾動源以速度V作運動。這時，依據擾動源運動速度V與當地介質音速的比例關系，又可分為三種不同的狀況。

設以0、-1、-2分別表示擾動源在觀看瞬間、前1秒、前2秒的位置，當aV時，擾動源以超音速運動，它超過了自己激勵的全部擾動波面，擾動波的傳播僅限于以擾動源為頂點的一個錐面內，該錐面就是擾動區與未擾動區的分界面，稱為擾動錐面，如圖1-12所示。

我們把擾動源運動速度V與當地音速a的比值a

VM=稱為馬赫數。根據M數的不同，可以把飛行速度分為以下四類，各種狀況都有各自特別明顯的特點：

(1)亞音速——75.0時的擾動波面

圖1-12a

激波

一、激波的形成

一般地說，當飛機的飛行M數等于或大于1時，由于空氣可壓縮性的影響，飛機上就會有激波產生。

飛機并不是一個微小的質點，它是由很多質點組成的龐然大物。每一個質點都在飛機前方形成一道界面波，很多道界面波疊加在一起，形成一種與飛機外形有關的強擾動波，這種擾動波前后的空氣壓強、密度和溫度都有突變。這