轻松谈科学！小声问一句，飞机为什么会升空？

fdwqt

原帖由 昌黎 于 2009-1-28 11:46 发表



如兄言！！！[s:20] [s:20] [s:20]
发动机“推重比”是飞机，尤其是战斗机最为重要参数之一。[s:15] [s:15] [s:15]
这也是早年美国凭借F15、F16、F14、F18等战机打压苏米格系列战机，获得“战略”制空权的 ...

纠正一下概念.
发动机推重比反映发动机的剩余功率;目前的及最新的发动机一般推比8~10
对飞机起降及空中机动性能有影响的是飞机推重比,典型三代机大约1.0以上.
另外飞机推重比也仅是众多对飞机性能有重要影响的因素之一.

[ 本帖最后由 fdwqt 于 2009-1-28 15:42 编辑 ]

叶荣玉

交易区新帖推荐

原帖由 昌黎 于 2009-1-26 16:03 发表
轻松谈“科学！”
小声问一句，飞机为什么会升空？[s:42] [s:42] [s:42]


反正俺是看见飞机升上天空去的，是客观的……[s:18] [s:18] [s:18]

一般的翼展飞机，采用螺旋桨也好，喷气式也好，那动力都是前后 ...

[s:97] [s:97] [s:97]


    -------- 飞机究竟为什么会飞呢 ----答曰：



            作者：一位特级飞行员的日记




     飞机飞行的简单道理，我在上初中的时候就接触了。当时看苏联科学家别莱利曼编写的著名的《趣味物理学续编》，提到了舰队编队航行时，平行两船的距离不能太近，否则会向中间靠拢直至相撞。因为水流在狭窄的通道内流动比宽阔的地方更快，而流速快的水流对周围物体的压强小，流速慢的水流压强大，所以两船并行会被水流向中间挤压。飞机的升空也是同理。机翼上半部分弧度大，下半部分较平，所以上半部分的空气走过的路程比下半部分长，所以上半部分空气流动的速度大，对机翼的压强小，与下半部分形成压强差，形成向上的升力，飞机就飞起来了。

    这一理论，乍看之下很有道理，清晰明了，很有逻辑性。后来知道这是根据流体动力学中的连续性定理和伯努利原理。但是每每多想几下就会痛苦不堪，无法自拔。最近重温简单的飞行原理，这个一直干扰我思维的痛苦又再次浮现出来：

    [疑问一]如果仅靠机翼上下表面形状不同而产生伯努利原理中的压强差，看上去好像非常不够。因为大多数机翼看上去都很平板，上表面凸出的路径比下表面长不了多少。如果用压强差升空，那么上表面似乎应该非常突出，并且机翼的翼弦长度应该比现在的长很多才行。

    [疑问二]有的文章，在提到上机翼压强减小的同时，会提到下机翼压强还会增大，飞机的升力是因为上机翼压强减小和下机翼压强增大的同时作用结果。这是我无法理解的，就算下机翼是平的，最多压强与大气压一样，怎么会增大呢，再说，机翼总是有点形状和厚度的，所以非理想的机翼下表面总是有点弧度的，气压应该稍稍比大气压小才对啊。很多文章甚至还说到纸飞机的飞行原理与真的飞机大致一样，那我更不明白了，纸飞机还有玩具飞机的机翼那不是明明就一张纸么，那是上下表面都是平的啊，怎么产生压强差阿。

    [疑问三]最近看到的一篇文章，索性直接写到上表面凸起，对应流体管壁截面变小，流速增快，压力减小；下表面平。
  [疑问四]印象中还看过少数文章，写到机翼迎角的问题，一般机翼安装都有迎角，平飞情况下，记翼下半部分是向前下方推压着空气前进，那么空气对机翼下半部分就有个向后上方的反作用力，其中向上的反作用力分量也成为升力的一部分（鸟类振翅飞行、人游泳上浮时向下蹬水也是利用流体的反作用力吧），而向后的反作用力分量，应该和逆风时的阻力一样，算作压差阻力吧。这种机翼下面空气因迎角产生的反作用力，可以作为上下压强差的补充升力，比起上面那个连机翼下缘也能产生伯努利升力的解释来，要强百倍了。

    扯远一句，像问题三这样生硬下结论而没有丝毫解释的话，我仿佛在大学时代的教材中看到过很多，很多问题其实当时都没有想明白，但看同学们好像都很明白（考试做作业也证明他们确实都“明白”），所以觉得自己的理解力是不是有问题。但当时没有网络这样庞大便利的资料库，能做到的，也就是去图书馆翻阅其它书籍，看看有没有更能让人理解的，写法更好的教材。结果可想而知，大多数问题最后还是被自己硬性当作了“公理”“就是这样的”给对付作业和考试了。其实现在想来，有很多这样类似的问题，根本就是没有定论的，编写教科书的人，只是采用了其中一种解释，或许自己也没有好好考虑过这个问题，就认为这些解释理所当然了。然后这些理论就一代传一代被奉为不可置疑的公理了。其实对待一切，都要用怀疑的眼光去看。

   回到主题，这几天在wiki看到一篇文章，说到用连续性定理来解释机翼上下空气流经长度不同而整，对应流体管壁截面变大，流速减慢，压力增大。这个简直就是硬性结论了。
    造成流速不同是不对的，因为经风洞实验证明，上表面的空气与下表面的空气并不是在机翼后端合流的，没有任何定理可以规定它们必须同时合流，事实上，机翼上表面的空气速度流动比下表面快得多，要比下表面空气更早到达机翼后端。文章解释上表面的空气路径之所以长，是因为流体对管壁的附壁效应，贴着机翼的空气会沿着机翼的弧线前进，而不是直线前进，所以空气对机翼的反作用力，成为了飞机的主要升力来源。

    虽然看了几遍这一小段文章以后，我还是没能明白这文章到底在说什么，但是我能知道的，除了上下压强差的解释以外，终于有了其它的解释了，只是这其它的解释写得不清楚，我还没弄明白。于是我又在网上查资料，终于，让我在香港教育学院的网站上搜索到一篇摘自亚太科学教育论坛的文章，详细解释了飞机飞行的物理，其中推翻了伯努利原理的解释，详细解释了附壁效应产生升力的原理(详细文章将另行转发)。让人一看就明白，当然，现在已经脱离了拜神论了，怀疑论者的我，将附壁效应，作为飞行升力的一个解释之一。因为看来，对于飞机升力的解释，现代科学也并没有定论。

    附壁效应产生升力的大致原理是，流体有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。例如在较细的水龙头水流下，斜放一把勺子，水流会被吸引到勺子然后沿着勺子流并且偏转，同时手可以感觉勺子被吸引向水流。勺子被吸向水流，是因为勺子作用于水流并改变水流方向，水流对勺子有反作用力。向窄口瓶中倒酱油时插根筷子来引流也是一样的现象。因为机翼大多有攻角（哪怕机身水平），所以气流因附壁效应沿着机翼流动，最后改为向下偏转。根据牛顿第三定律（作用力与反作用力），机翼作用于空气，改变了空气运动的方向，那么空气必反向作用于机翼，所以空气对机翼有个向上的反作用力，成为飞机向上的升力。

    而根据伯努利原理，即使机翼上表面与下表面形状不同，但要产生足够的升力，上表面的长度要是下表面长度的1.28倍，这样飞机的机翼的上表面基本要像馒头一样拱起了，我们谁也没见过这样的飞机。而用附壁效应来解释的话，是用攻角代替机翼的形状，机翼的形状是无关紧要了，所以用来解释机翼上下形状相同的飞机、纸飞机还有飞机倒飞也行得通了。

    看到这里，有一种很大的满足感。虽然对附壁效应的产生原理还不清楚，只有wiki上短短的一句“当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时，流体的速度会减慢。只要物体表面的曲率不是很大，根据伯努利原理，流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动”，说实话，我没看明白。

    然后，我又看到了一个台湾的论坛“玉山航空讨论区”，里面也有人在问这个问题，甚至还举了上面这篇文章，然后回答和争论的人也不少。我总结了一下，有胡说八道搅混水的，也有几个意见一致的。那几个一致的意见，基本上都否定用伯努利原理或附壁效应来解释机翼的升力。下面摘抄几个：

  1. 在學理上，是不是上下表面气流用了相等的时间并不重要，重要的是在trailing edge(机翼后缘)的地方必需是停駐點（即滿足Kutta-Joukowski condition）或者等價的說法是上下表面的壓力在該點必需一致。

   2. 對簡單翼剖面來講，白努利原理和康達效應(附壁效应)都只能「部份」解釋機翼的昇力，但不是「全部」（白努利原理很難解釋紙飛機的平板昇力，康達效應無法解釋砲彈或像刺針這種旋轉穩定飛彈飛行時受到的Magnus focrce），既然不是「昇力＝白努利昇力＋康達昇力」，也就很難說是比例是多少比多少了。如果用套用Kutta-Joukowski condition的話，在低速、高雷諾數的情況下，理論推算和風洞測試幾無差別，非常準。

注：Magnus focrce 马格纳斯力——马格纳斯（Magnus）对于平行流中旋转流体的受力情况进行实验研究后指出：一个圆柱体以角速度ω在流场中旋转，流体以速度v横向流过该圆柱体时，圆柱体上方由于其旋转方向与液流方向一致，使液体流速加快，根据伯努利原理，而其下方的压力大于上方的压力，相当于给圆柱体作用了一个自下而上的垂直于液体流动方向的力，即所谓升力。在类似条件下，液流对其它形状的物体，如球体，也会产生这种力，即所谓的马格纳斯力。

   3. 大家都忽略了渦流(Vortex)，紙飛機會飛起來當然不是因為伯努利定律，是因為氣流在翼前緣產生了渦流，造成一個分力(可能向上或向下)而成。另外，流體在超音速之後的性質跟超音速之前有很大的不同。白努力定律的討論應集中於次音速航空器。

   4. 升力來自2维的涡流, 而机翼的后缘形狀在涡流下也要符合Kutta-Joukowski condition才有正確的升力解决方案。一般來說, 機翼理論在大多數的流體力學中都是用勢位流(potential flow)解釋, 而不是用伯努利原理。可以參考"An Introduction to Fluid Dynamics" by G. K. Batchelor, pp.435的 section 6.7 Two-dimensional aerofoils。伯努利只是一個作了很多假設而簡化不少物理量的東西, 頂多解釋低速, 不可壓縮流的環境。他又不能解釋在穿音速下在上機翼表面產生shock wave(冲击波)時的結果與升力。
  以前我也是只知道升力由伯努利而來, 唸過研究所的高等流力後, 老師千叮萬囑不要再用伯努利去解釋升力, 這才改過這個觀念. 希望對大家有所幫助!

    根据这几个帖子我总结如下，除了伯努利原理和附壁效应外，更能用涡流和势位流来解释机翼理论。特别在高等流体力学中，多用势位流来解释。对于涡流和势位流的解释，以及Kutta-Joukowski condition是怎么回事，看来需要学习的东西还很多。但是，不管推翻什么理论和建立什么理论，前提都是要对这个理论有一定的了解，并且经过一定的论证和试验才行。

    继续加油吧，我的飞行理论课，看来在逐渐导向飞机设计专业而不是飞行专业了-__-|||。

叶荣玉

[s:14] [s:14] [s:14] 飞机会在天空中飞翔的原因：

一 机翼的浮力
01. 伯努力原理:流体中,流速加快时,压力会减弱,反之,亦然.因此,流体中的物
体会往流速快的地方移动.
02. 机翼切面原理:
翼切面.上方距离较长,下方距离短.空气流线被翼切面分
成两部分,两方气流於翼后方有相同速
率,故通过上侧的空气流速较快,空气
压力较小而形成一向上的升力.
B. 通常气体具有某种程度的黏性,即通过一物体时,会沿著物体表面切向的力量作 用
在物体上,与物体最接近的空气流线速度为零,到后方的空气的速度回到原有的速
度.这之间速度由零到原有速度的气流称边界层流,边界层流在后方与机翼表面分
离,分离的点称分离点,气流在分离点形成扰流(乱流)
C. 与空气接触的方式:
以风筝为例,若版面垂直风向,则风筝只能
一直前进(如图2-1),若与风向成一交角,便
会不断上升.此风向与机翼的交角称为攻角
(图2-2中的α角).图2-2中,A.为向上的力,
B.为前进的推力,C.为和风筝版面平行的摩
擦力(即阻力),A B的合力即为升力 (升力
和阻力为一对互相垂直的风力的分力).
飞机的飞行原理
3
在某一特定角度内,攻角越大,升力越大,升
力系数和攻角成线性关系(正比);超过此一特
定角度,升力急遽下降而阻力增加.此一特定
角度随物体形状不同而改变.此关系可由图
3.中窥见,我以不考虑其他变因假设,
表面版,表升力(即A B的合力),
表两互相垂直的升力分力之一.
两分力互相垂直,即可以一三角形的部分
斜边和高表示.),得角度在45度以内攻
角越大,升力越大.而45度角即可视为
此情况的特定角度.但另一方面,飞机的
攻角越大,其分离点也越往前移动,而扰
流的压力相较於平顺气流(层流)的压力
大,故角度大於一定角度时会产生升力急
遽下降,阻力上升的情况.也有一种说法
是因空气和物体表面摩擦会有一阻力称
表面摩擦阻力,扰流时的表面摩擦阻力
远比层流时大,故形成上述升力下降阻力上升的状况,此状况称为失速.我想以上机
翼失速原理多少和飞机下降的角度有关吧.图4中Cl 表升力系数,图中随攻角的增
加,升力系数亦随之增加(Cl=aα,a为升力线斜率),直到达到升力系数的最大值,升
力系数下降形成失速.
D. 以上机翼切面原理同时适用於旋翼机(例:直升机)的
旋翼和飞机的机翼上.
二 引擎的动力
01. 航空器分为两种,一种称轻航空器,是利用比空气轻的气体飞行;另一种为重航空器,是
靠速度(也就是相对空速)飞行.
A. 一般如果不考虑其他因素,初速度只会
造成飞行距离增加,不会使停留在空气
中的时间增加.
B. 像纸飞机有翼,即有浮力,再加上相对
空气的速度(伯努力原理),使得纸飞机
能在空中停留,但相对於升力产生的阻
力使得纸飞机的速度减慢,而终至升力
飞机的飞行原理
4
不足克服重力而下降,甚至坠落.
C. 因此,莱特兄弟在飞机上装上引擎,提供飞机一个持续的速度以克服阻力,使人类能顺
利完成飞行的梦想.
02. 引擎的原理:
A. 涡轮喷射引擎
涡轮喷射引擎的核心可分为:压缩段,燃烧室,涡轮.压缩段由许多页片所组成可将空气
压缩后送入后方,燃烧室有管子送入燃料与空气混合燃烧,涡轮机同样由许多页片组成.
空气从压缩段吹入,压缩机将气体增温增压,送入后方燃烧室与燃料混合燃烧,高温高压
的气体猛然向后方喷出,而形成一股压力,产生向前的推力.同时高温高压的气体吹向涡
轮机的页片,涡轮机的转动带动前压缩机的转动.
使用喷射引擎的好处是可以达到很快的速度,甚至可以超音速,早期主要用在军用机上.
B. 涡轮风扇引擎
涡轮喷射引擎虽然速度快,但对於低速的民航机,就显得太耗油了.因此有人在涡轮喷射
引擎的前方加上风扇,和涡轮机相连,以涡轮机带动风扇转动.风扇转动的同时,也把大量的空气送入后方.这种引擎的动力主要是靠前方扇叶所产生的气流,至於原理,我想应
该是风扇转动大量吸入空气而增加推力,另一方面大量吸入空气也使前方空气阻力减少而
前进.或许有点类似螺旋桨的原理,特殊形状的页面使前方空气速较后方快,以致前方压
力小而前进.这种引擎的好处是较不耗油,但相对的速度较慢,此外它可以在速度较慢的
情况下产生较大的推力。

昌黎

原帖由 叶荣玉 于 2009-1-28 15:39 发表
[s:97] [s:97] [s:97]


    -------- 飞机究竟为什么会飞呢 ----答曰：



            作者：一位特级飞行员的日记




     飞机飞行的简单道理，我在上初中的时候就接触了。当时看苏联科学家别莱利 ...

叶大侠这个内容挺丰富，虽然有些说法……！！！[s:20] [s:20][s:20]  

特别补充一点，有些飞机起飞是很特殊的，比如英国早年的鹞式飞机等，几乎能够垂直起飞的。是为了满足特殊场合的，譬如行母这样不大的平台……

部分行母跑道末端是上曲的，就是为给飞机一个腾空的初速度，等等！[s:15] [s:15] [s:15]

梁三人

原帖由 pla68223 于 2009-1-26 21:17 发表
机翼的横切面是半弧形，弧形在上方，下方是平的（近似于平的），当空气穿过机翼，气流被机翼分割为2个部分，上方的气流由于机翼的弧形受到阻力而速度较慢，而下方的气流没有任何阻挡物所以速度较快，当达到一定速度以 ...

基本是对的，小时候玩飞机模型，高中了还玩，所以对这个问题曾经研究一番，只要掌握了飞行的原理，基本上随便用什么材料做各种形状的飞机模型都能很好的滑翔而不致于打滚钉头。
后来学习乒乓球，空气动力学也有助于理解球的弧线与旋转的关系。上个图吧。

风吹柳花

交易区新帖推荐

原帖由 坏人t 于 2009-1-28 15:12 发表

无知无畏啊，先搞清楚空速这个概念再说吧。

[s:20] [s:20] 如果要依靠机翼升力升空，空速是必须的。但现代飞机推重比都比较大，足够大的话，没有机翼其实也是能上天的，就像导弹一样................[s:14]

梁三人

呵，叶大侠资料来得很快啊，顶，评几句，用红字

这一理论，乍看之下很有道理，清晰明了，很有逻辑性。后来知道这是根据流体动力学中的连续性定理和伯努利原理。但是每每多想几下就会痛苦不堪，无法自拔。最近重温简单的飞行原理，这个一直干扰我思维的痛苦又再次浮现出来：

    [疑问一]如果仅靠机翼上下表面形状不同而产生伯努利原理中的压强差，看上去好像非常不够。因为大多数机翼看上去都很平板，上表面凸出的路径比下表面长不了多少（速度足够快就可以了）。如果用压强差升空，那么上表面似乎应该非常突出，并且机翼的翼弦长度应该比现在的长很多才行。

    [疑问二]有的文章，在提到上机翼压强减小的同时，会提到下机翼压强还会增大，飞机的升力是因为上机翼压强减小和下机翼压强增大的同时作用结果。这是我无法理解的，就算下机翼是平的，最多压强与大气压一样，怎么会增大呢，（气压总的来说是一样的守恒的，但动压大了静压就小了，上面流速比下面快，所以静压比下面小）再说，机翼总是有点形状和厚度的，所以非理想的机翼下表面总是有点弧度的，气压应该稍稍比大气压小才对啊。很多文章甚至还说到纸飞机的飞行原理与真的飞机大致一样，那我更不明白了，纸飞机还有玩具飞机的机翼那不是明明就一张纸么，那是上下表面都是平的啊，怎么产生压强差阿。（广告上的大致一样你也信？纸飞机一机一般靠机翼仰角就足够升起来了）

   


[ 本帖最后由 梁三人 于 2009-1-28 17:14 编辑 ]

梁三人

只要掌握基本的飞行原理，就可以轻松摸仿各种机型，让他飞得起来，起码能好好滑翔。我当年做歼什么记不得了，老爸说机头这么重机翼这么短，不一头扎下去才怪，用木头做的机身啊能不重，结果滑翔得好好的，就算三角型的机翼，前面加一点掠翼的那种，难度大吧，也不在话下。最容易做的就是长机翼的，机翼越大越长，机般越轻，越好飞，但飞得慢，不如小机翼重机身的，从五楼倒头箭一样扎下去，眼看到地时却抬头向上拐了个优美的弧度，打个180的空翻，再远远地滑翔出去，就要这种惊险效果。要是大机翼，只能慢慢飞。

hifishao

原帖由 昌黎 于 2009-1-28 11:46 发表



如兄言！！！[s:20] [s:20] [s:20]
发动机“推重比”是飞机，尤其是战斗机最为重要参数之一。[s:15] [s:15] [s:15]
这也是早年美国凭借F15、F16、F14、F18等战机打压苏米格系列战机，获得“战略”制空权的 ...

昌黎兄要是对飞机感兴趣，可以看看这个帖子，超强！

http://club.cat898.com/newbbs/dispbbs.asp?boardid=1&star=1&replyid=5774999&id=2655696&skin=0&page=1

hifishao

F-15E Strike Eagle 攻击鹰

hifishao

已经退役的雄猫，永远的经典！

hifishao

已经成为轰炸机代名词的B-52，1948年设计，1952年首飞，论年岁可能超过坛中绝大多数网友。

gsm

[s:97]

hifishao

惊世骇俗的黑鸟，人类航空科技真正的杰作！1962年定案，1964年首飞。

★★★ 2800长边大图 ★★★



[ 本帖最后由 hifishao 于 2009-1-28 20:31 编辑 ]

昌黎

原帖由 hifishao 于 2009-1-28 17:46 发表


昌黎兄要是对飞机感兴趣，可以看看这个帖子，超强！

http://club.cat898.com/newbbs/dispbbs.asp?boardid=1&star=1&replyid=5774999&id=2655696&skin=0&page=1

非常感谢hifishao兄！[s:21] [s:21] [s:21]

看了，非常不错（网站慢点）。图也很精彩，能这样角度拍摄很不容易！！！[s:20] [s:20] [s:20]

94楼这张图片，飞机已经年迈，看上去要垮的样子了……[s:33] [s:33] [s:11]