第一章 飞行的基本原理

第一章

飞行的基本原理

超出空气重量的飞行可以用多种科学定律和理论来解释。在这些定律和理论中牛顿第三运动定律是最基本的一项。即：“每次运动都会产生一个相等的力和反作用力”。螺旋桨加速了大量的空气向后流动，因此就会产生一个与之相等的向前的力。该向前的作用力叫做“推力”，将飞机推向前进。

当飞机被螺旋桨推向前进起飞时，机翼就会遇到袭来的空气开始全面上升。当飞机向前飞行的速度增加时，该上升的的力也相应的增加。当上升的力达到与飞机的重力相等时，飞机则开始飞行了。

大气层

飞机飞行的环境很接近地面环境，然而却不尽相同。这个环境就是大气层，由空气组成，遍布于地面周围。我们需要了解一些关于大气层的东西来理解飞行。

密度和压力

密度是空气的一个性质，它很容易误导最初学习飞行的新手。求一个普通房间的空气的重量，会有从0磅到10磅多种不同的答案，而真正的答案却是近300磅而且一个大厅的空气重量会超过一吨。从地面上升半里的高度，里面空气的重量将会轻很多。它的密度—每单位体积的重量会发生变化。密度的变化被当作空气的压力来测量。

诚然，和水的密度比起来，空气的密度要低一些，然而，正是由于空气的这种性质才使飞行成为可能。空气是飞行的媒介，飞行的特性随着空气性质的变化而随之变化，平均压力在水平位置时，每平方英寸是14.7磅，由于大气的重力，一个大气压可以使气压表的水银柱上升到29.92英寸。标准环境下，在10000英尺的高空，大气压会从每平方英寸14,7磅下降到每平方英寸10.2磅。

温度变化

随着高度上升空气的温度随之下降，原因是太阳的热量流经大气层时，并没有给大气升温，地面吸收了热量，地面温度升高，与地面接触到的空气也吸收了一部分热量。

四个力

飞机在飞行时受到四个主要力的作用，它们分别是：浮力、重力、推力和阻力。

推力和阻力

在水平飞行过程中飞机受到两个主要水平方向的作用力—推力和阻力。推力由螺旋桨作用于飞机的引擎产生，阻力由飞机及其各个部件克服空气流经所产生。

浮力和重力

飞机受到的垂直作用力是浮力和重力。重力是飞机的总重量还包括它的容量。重力被看作是经过一点叫做“重心”，浮力作用于相对气流90度的位置。不必与地平面形成垂直。在飞行中在与地平面形成角度的地方浮力也会产生作用。为了计算，整个浮力可以被看作是经过

机翼的某一点产生的。这一点叫做：“压力中心”。

相对气流

相对气流总是与飞机飞行路径的相对方向保持平行。相对气流与飞机飞行的方式无关，只与飞机飞行的方向有关。

安装角和迎角

安装角是指机翼一条弦的平面与飞机纵轴的固定角度。切不可与前进迎角角度混淆，根据机翼弦与相对气流的角度的不同，也会有所不变化。根据飞机运行的方向，角度也会发生改变。

升力

任何水平的物体例如一个平面，朝相对气流的方向倾斜就会产生升力。风筝就是一个例子，在这一点上，飞机的机翼就像个平面，后来发现它通过弯曲机翼上表面会产生更多的升力，从而机翼得到发展（图1-8）。弯曲的上表面也可以为比较轻的结构增加重量，燃料储存，最终消除外部结构的一部分。

简单地说，机翼通过空气向下偏斜能产生部分升力，机翼也是从上下表面不同的压力得到部分升力。该理论解释基于“Bernouilli理论”该理论表明，随着空气流动速度增加，压力下降。

机翼压力

由于机翼表面的弯曲，气流流经机翼周围时就会加速。上表面会形成一个比下表面大的拱形，空气流经机翼上面时就会比流经机翼下面时速度快很多。根据Bernouilli 的理论，机翼上面的压力相对于机翼下面的压力会大大降低。

不同的压力之和产生的力叫做升力。实验还表明在飞行中随着机翼迎角度的增大，压力中心也逐渐向前移动。正常飞行中，迎角的外一点，压力中心开始再次向后移动。当压力中心向后移动到一定程度，机翼处于失速状态时，机头会突然下坠。

界限层

飞行时，流经机翼表面的界限层是一条很窄的空气层，有时还不到百分之一英寸厚。（0.25 毫米）该界限层可分为两部分，一部分是性质良好的薄片层，另一部分是混乱层。气流开始流经机翼时，与它的形状相符合。

处于这种状态时，界限层平滑且稀薄。这就是薄片层。有个转折点在机翼头部和尾部边缘之间移动，这时，界限层变的混乱且加厚。气流超出这一点则被看做是混乱层。

将薄片流线型的机翼加已改进使薄层气流尽可能多的流经机翼表面，该设计关系到机翼的上的转折点。

这种薄片流线型机翼通常比普通机翼更薄，前部边缘更加突出，切面处比较均匀。最重要的是机翼弯曲度最深的点比普通机翼更加靠后，当气流加速流动逐渐从机翼前部边缘向弯曲度最深的一点流动时，压力在薄片型机翼上的分布更加均匀，当该机翼失速时，该机翼的转折点比普通飞机机翼的转折点向前移动快的多。

阻力

阻力阻碍飞机向前运动，从而使飞机运动和相对气流运动保持平衡。飞机的整个阻力是诱导阻力和寄生阻力之和。诱导阻力是飞机上升时遇到的力。附加阻力包括其他的阻力。

诱导阻力当机翼底部的高压气流向机翼顶部低压气流周围流动时，机翼顶部就会形成旋涡。阻力使气流产生了混乱。除了旋涡的产生，当机翼周围的气流向下偏斜的时候，还会产生下降的气流。下降气流是在飞机上升的过程中遇到诱导阻力而产生的。

设想由下降气流引起的诱导阻力的方法是：绘制前进角度增大时浮力与向后推力的和力。由于前进角度很大，气流低速流动时，诱导阻力变大。气流速度加快，前进角度变小，诱导阻力也变小。

方向比例会影响到诱导阻力，方向比例是指全长和弯曲度的平均值的比率。相对于弯曲度，机翼全长较长的阻力越小，长机翼和相对小的弯曲度叫做高方向比率机翼

寄生阻力该阻力由飞机上一切其他阻力组成，而不是由浮力引起的，并非象诱导阻力那样，寄生阻力是随着速度增加而增大。

干扰阻力干扰阻力是气流在飞机两种状态之间受到干扰形成的，例如，机翼和机身的连接处，沿机身的气流将会干扰到机翼上面的气流。

外形阻力外形阻力包括形状阻力和蒙皮摩擦阻力阻力。

形状阻力形状阻力是飞机的结构或形状在空中阻碍飞机的运动产生的阻力。外露的飞机部件流线型化将会大大减少这种阻力。

蒙皮摩擦阻力蒙皮摩擦阻力是空气黏附于飞机表面所产生的使飞机向后运动的趋势。光滑或抛光度高的飞机受蒙皮摩擦阻力的影响小的多。冰，灰尘甚至积留在飞机上的昆虫都会产生蒙皮摩擦阻力。

最小阻力诱导阻力随着空气流动的速度增大而减小，而寄生阻力随空气流动速度增加而增大，因此就会有一个空气的速度与阻力的和力达到最小。最小的阻力速度将在滑行运动、范围和持久性中进一部讨论。