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飞机能起飞的原理是什么?

归档日期:09-11       文本归类:火箭发动机      文章编辑:爱尚语录

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  在真实且可产生升力的机翼中,气流总是在后缘处交汇,否则在机翼后缘将会产生一个气流速度为无穷大的点。这一条件被称为库塔条件,只有满足该条件,机翼才可能产生升力。在理想气体中或机翼刚开始运动的时候,这一条件并不满足,粘性边界层没有形成。

  通常翼型(机翼横截面)都是上方距离比下方长,刚开始在没有环流的情况下上下表面气流流速相同,导致下方气流到达后缘点时上方气流还没到后缘,后驻点位于翼型上方某点,下方气流就必定要绕过尖后缘与上方气流汇合。

  由于流体黏性(即康达效应),下方气流绕过后缘时会形成一个低压旋涡,导致后缘存在很大的逆压梯度。随即,这个旋涡就会被来流冲跑,这个涡就叫做起动涡。根据海姆霍兹旋涡守恒定律,对于理想不可压缩流体在有势力的作用下翼型周围也会存在一个与起动涡强度相等方向相反的涡,叫做环流,或是绕翼环量。

  环流是从机翼上表面前缘流向下表面前缘的,所以环流加上来流就导致后驻点最终后移到机翼后缘,从而满足库塔条件。由满足库塔条件所产生的绕翼环量导致了机翼上表面气流向后加速,由伯努利定理可推导出压力差并计算出升力。

  这一环量最终产生的升力大小亦可由库塔-茹可夫斯基方程计算:L(升力)=ρVΓ(气体密度×流速×环量值)这一方程同样可以计算马格努斯效应的气动力。根据伯努利定理——“流体速度越快,其静压值越小(静压就是流体流动时垂直于流体运动方向所产生的压力)。”

  因此上表面的空气施加给机翼的压力F1小于下表面的F2。F1、F2的合力必然向上,这就产生了升力。升力的原理就是因为绕翼环量(附着涡)的存在导致机翼上下表面流速不同压力不同。

  飞机的动力装置的核心是航空发动机,主要功能是用来产生拉力或推力克服与空气相对运动时产生的阻力使飞机前进。次要功能则是为飞机上的用电设备提供电力,为空调设备等用气设备提供气源等。飞机的动力装置除发动机外,还包括一系列保证发动机正常工作的系统,如引擎燃油系统、引擎控制系统等。

  现代飞机的动力装置一般为涡轮引擎(喷射引擎)和往复式引擎两种。应用较广泛的配置方式有四种:航空活塞式发动机加螺旋桨推进器;涡轮喷射引擎;涡轮螺旋桨引擎;涡轮扇引擎。随着航空技术的发展,火箭发动机、冲压引擎、原子能航空发动机、脉冲爆震发动机等,也有可能会逐渐被采用。

  按照我们普通的常识,飞机进入跑道之后,加油门,开始增速,加快,再加快,到了一定速度后,飞行员拉杆,飞机抬起头,直冲蓝天。

  这其中,最关键的当然就是速度了,只有到了足够的速度,飞机才能离地。那么足够的速度意味着什么呢?意味着有足够的气流流过了飞机的机翼。

  飞机的机翼,设计起来是很复杂的,如果从侧面看,大多数机翼的剖面类似于一个顿号的样子。如果你把两个机翼相对放置(上表面对着上表面),会发现,这两个机翼组成了一个很像喇叭的形状。

  根据伯努利定律我们知道,当流体流经一个比较窄的空间时,流体的流速会增加,同时动能会增加(从门缝、窗缝里吹进来的风,通常速度会很大,就是这个道理)。而因为能量守恒,这部分流体在动能增加的同时,它的势能会减少,从而导致对周围压强的减小。简而言之,当空气流过一个喇叭时,当流经这个喇叭比较细的那一段时,流动的速度会增加,而对喇叭壁的压力(压强)会减小。

  我们前面说了,两个机翼对在一起放,就可以组成一个喇叭形,那么当只有一个机翼放在那里的时候,气流从机翼的上表面上流过,其实也能起到相同的效果,也就是气流对于机翼上表面的压力比外界环境的大气压力要小。

  至于机翼的下表面,我们暂且认为它对气流的压力没有影响。这样一来二去,上表面的压力变小了,下表面的压力不变,就形成了上下表面之间的压力差,而就是这个压力差,把机翼托了起来。机翼连在飞机上,整个飞机也就被托了起来。

  那么,根据牛顿第三定律,飞机自己加速向前跑,从而使足够量的气流流过自己的机翼,与飞机停在那里,让足够大的风迎面吹来,起到的效果是一样的。假如我们飞机离地需要100节的速度,那么把飞机停在地上,让100节的风吹过来,飞机也能离地的。其实多年前,就有在台风天,机场上停着的飞机因为没有加固,随着大风开始自己乱跑的案例出现。

  所以,我们知道,当飞机进入跑道,对正方向之后,如果这时候吹的是顶风,那么等于给飞机的加速帮忙了。例如,还是假设飞机需要100节的速度离地,但是现在有5节的顶风,那么飞机自己只要加速到95节,就可以了。(这个时候,飞机的空速表上显示的还是100节,记住,是空速,只有空速才对飞机的操纵有意义,不管这个空速是飞机自己跑出来的,还是大自然的风吹出来的。)而如果是5节的顺风,那么飞机就要加速到105节,才能离地,自然不是我们想要的。

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