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第二 飞机飞行原理（第2页）

在低速流动（速度小于0。4倍音速）时，可以认为空气不会被压缩，即流动过程中密度不变：

VA=常数

这就是低速气流的连续方程，去掉了空气密度，将流过流管截面的空气质量变换成了空气体积。从连续方程可知，稳定的低速气流在单位时间内流过流管任意截面的体积相等。换一句话说，流管截面积小的地方，气流流速大；流管截面积大的地方，气流流速小。水流也一样，我们可以看到稳定流动的河流中，河道狭窄（截面积小）的地方水流湍急（流速大），河道开阔的地方水流平稳。夏天人们在过道中乘凉，感觉风很大，也是这个原因。

随着流管截面积变化，不仅气流的速度会发生变化，气流的压力也会相应发生变化。气体流动速度与压力之间的关系，可通过如图2-21所示的实验结果来说明。当试验管道中的气体静止时，管道中各截面的气体压力都相同，都等于当地大气压，测压玻璃管中的液面高度都一样（见图2-21A）。当气流稳定、连续地流过试验管道时，通过连续方程可知，截面积大的地方流速小，截面积小的地方流速大。同时，在测压管中的液面也发生了变化，液面普遍升高了，但截面积小的地方液面升高较多，截面积大的地方液面升高较少（见图2-21B）。这一实验表明：截面积大的地方气体流速小、压力大；截面积小的地方气体流速大、压力小。

图2-21流速与压力的关系

“流体力学之父”丹尼尔?伯努利研究了上述实验，并于1738年总结出著名的伯努利定理（也称伯努利方程）：

将连续性原理和伯努利定理结合起来，可以得出这样的结论：流体稳定的流过管道，在管道截面积小的地方，流体的流速大、静压（压力）小；在管道截面积大的地方，流体流速小、静压（压力）大。

三、飞机升力的产生

飞机的升力主要靠机翼与空气有相对运动产生。和空气有了相对运动，机翼为什么能够产生升力呢？这还和机翼的形状有很大关系。

机翼的剖面形状叫做翼型。翼型的前端点叫前缘，后端点叫后缘，翼型前后缘之间的连线叫做翼弦。通常翼型的上表面弯曲程度较大，下表面弯曲程度较小甚至平直（见图2-22）。

图2-22翼型

在飞行中，飞机有一定速度，空气就会流过飞机，与飞机之间就会有相对运动，与机翼之间也就有同样的相对运动，我们把流过机翼的气流叫做“相对气流”。相对气流与飞行速度大小相等、方向相反。

相对气流（飞行速度）与翼弦之间的夹角叫做迎角，用α表示（见图2-23）。相对气流指向翼弦下方，迎角为正；相对气流指向翼弦上方，迎角为负。

气流流过机翼的流动情况，可用流谱图直观地显示出来（见图2-24）。流谱图是由许多流线和涡流组成的、反映流动全貌的图形，类似于中学物理里面讲到的磁场图、电场图。在稳定气流中，空气质点流动的路线，就是流线。既然空气质点是沿着流线流动的，所以在流线一侧的空气质点不会穿过流线流到另一侧去，也就是说，流线不会相交。任意两条流线之间的空气都不会穿过这两条流线流到外面去，就可以把任意两条流线围成的空间看作一条流管，流管就像水管一样，把两条流线之间的空气限制在这条管子内流动。

图2-23迎角

图2-24流谱图

从如图2-24可以看出，空气流过有一定正迎角的机翼，由于机翼上表面比较突出，在机翼上表面流动空间受到机翼的挤压变小，流管变细；由于机翼下表面弯曲程度较小，流动空间比上表面大，流管较粗。根据气流的基本规律，在机翼上表面，由于流管细，流管内空气流速快，静压小；机翼下表面由于流管粗，流管内空气流速慢，静压大。于是机翼上下表面之间产生了向上的压力差，这个向上的压力差就是机翼的升力（Y），全机上下表面的压力差就是飞机的升力。升力的方向垂直于飞行速度（相对气流），升力的大小可用升力公式表示如下：

其中，V是飞行速度（相对气流速度），S是机翼面积。cy是升力系数，它是实验测得的无因次值，迎角不同、翼型形状不同，升力系数不同。

如果你看过飞行表演，你一定会被飞机的优异性能以及飞行员的娴熟技术所震撼吧。事实上，无论飞机做什么样的复杂动作，都是靠飞行员操纵飞机改变升力的大小和方向来完成的。从升力公式可看出，升力的大小与空气密度、飞行速度、迎角、翼型和机翼面积有关，但是在正常飞行中，翼型和机翼面积是不能改变的，只要飞行高度一定，空气密度我们也没法改变，飞行员只有通过改变迎角和飞行速度来改变升力。升力与飞行速度的平方成正比增大；在中小迎角下，随迎角增大，升力系数增大，升力增大（见图2-25）。

图2-25升力系数随迎角变化

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迎角，英文名字Aack，有些资料根据英文直译为冲角、攻角，英文简称AOA。它是航空领域最重要的角度之一，对飞机的受力及各方面性能都有直接影响。民用飞机在飞行中，迎角一般为一个不大的正迎角，只有军用飞机在某些特殊情况下，才会出现负迎角。

飞机的升力系数受迎角和翼型形状的影响，正常的飞行中翼型形状不会改变，升力系数就只受迎角的影响。中小迎角下，随迎角增大，升力系数增大；大迎角下升力系数的增幅减缓，到某一迎角升力系数达到最大；超过这一迎角，升力系数随迎角的增大反而减小。升力系数达到最大时候的迎角叫做临界迎角，超过临界迎角，飞机将出现非操纵性的异常现象，不能维持正常飞行，这样的异常状态在航空界称为“失速”。

四、飞行中飞机受力

图2-26平飞中的受力

从前面的讲述我们可以看出，飞机之所以能够飞行，是因为飞机在飞行中产生了克服重力的升力。而从升力产生的原因来看，并没有提到发动机，而大家都知道，发动机是飞机的心脏，任何一架飞机都离不开发动机，既然产生升力与发动机无关，那发动机在飞行中到底起什么作用呢？我们就得从飞行中飞机的受力谈起。

以平飞为例，飞行中，飞机有一定速度，才能产生足够的升力来克服重力，但飞机以一定的速度在空气中穿梭，空气也会产生阻碍飞机前进的阻力，这就需要发动机产生向前的推力（拉力）来平衡阻力，保持速度。平飞中飞机的受力如图2-26所示。

根据阻力的产生原因不同，低速、亚音速飞行时阻力可分为摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力三种。在跨音速、超音速飞行时，还会产生激波阻力。

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飞行速度与飞机所在高度音速的比值叫马赫数或飞行M数，简称M数。根据飞行M数可将飞机的速度分为低速、亚音速、跨音速和超音速。

低速是指M数小于0。4（也有说0。3），低速时可以认为空气不可压缩，即空气流速减小、压力增大时，不会将空气压缩，使之体积减小密度增大；空气流速加快、压力减小时，空气也不会膨胀，使之体积增大密度减小。也就是空气的密度不随速度变化而变化。这仅仅是一种假设，实际上速度变化引起压力变化，会导致空气密度发生改变，但在小M数下，密度变化量很小，可以忽略不计，才有了这样的假设。