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谈谈迎角与襟翼能改变飞机升力的原理

2013-09-20 10:00阅读:
通常飞机起飞或降落时都会用增大迎角或者放下襟翼的方式来增大升力,只要在适当的范围内,升力的增加效果是相当显著的。这一点我相信每个略懂些航空的人都知道。但为什么迎角和襟翼能改变飞机升力?关于这一点各种说法层出不穷,我认为最经典、但又是最糊弄人的说法就是“增大弯度以增大升力系数”可什么叫“增大弯度”?增大弯度为什么能增加升力系数?这点还得从升力的本质原理谈起。
说到升力的原理,我不得不批判一下。当今科技发展得如此之快,尤其是航空技术,从莱特兄弟算起也不过110年,飞机早已不算是新鲜的东西了。然而我相信,没什么科学原理会比升力原理的争议还要大。人们都在坐飞机,却连最基本的飞机是如何飞起来的都不知道,就连一些科学家对此也很含糊。
现在较流行的关于升力的原理,至少有四种说法(详见百度百科“升力”),但是真相只有一个,四种说法里肯定有三个是错的。然而更不幸的是,现在大多数中学教科书及科普书籍里对于飞机升力的解释就是三大错误解释中的一个,具体内容是“当气流经过机翼上表面和下表面时,由于上表面路程比下表面长,则气流要在相同时间内通过上下表面,根据S=VT,上表面流速必定比下表面大,再根据伯努利定理(流速越小,压强越大;流速越大,压强越小),产生压力差,就是升力。这个理论最糊弄人的地方就在这行红字上,为什么气流一定要在相同时间内通过机翼上下表面呢?教科书对此没有做出详尽的解释,这显然是误人子弟。
但最坑爹的就是教育局不仅没有用正确的理论来解释飞机升力,还在考试中出了一道关于飞机襟翼、升力的问题,就让我们来看看这道2009年湖北省黄冈市物理中考题: 谈谈迎角与襟翼能改变飞机升力的原理

显然,根据前面的那个流行错误说法,这道题没哪个学生能做出来,因为飞机放下襟翼没有改变上下表面的路程大小,所以不可能改变飞机升力。但事实是,飞机只要在一定范围内放下襟翼就能增大升力。那么飞机迎角与襟翼这个问题就直接关系到我们对飞机升力本质的认识。
升力来源于机翼上下表面气流的速度差导致的气压差,具体主要依靠库塔条件、绕翼环量、库塔-茹可夫斯基定理和伯努利定理来解释。
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。(这也就是为什么上下表面气流要在相同时间内通过上下表面,但中学物理不可能讲到这些。)
然而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。由于流体粘性(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。环流是从翼型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。
因此,我们可以得出结论:升力的原理就是因为绕翼环量的存在导致机翼上下表面流速不同压力不同。
了解了升力原理后,我们就可以详细讨论为什么飞机改变迎角或襟翼能改变升力大小了。先来看迎角。原来前驻点应该在翼型前缘这儿的,但因为增大了迎角,前驻点被迫下移,也就是气流与机翼的前接触点在下表面,则气流在下表面走过的路程要比上表面更短,所以会形成一个强度更大的起动涡,同时也会有一个更大的绕翼环量,导致升力增加。再来看襟翼。当飞机放下襟翼时,虽然没有改变上下表面的路程长短,但却改变了机翼后缘的尖锐程度。当下表面气流流过下垂的后缘时,由于流体黏性与惯性的作用,气流也会向上卷成一个涡,这类似于卡门涡街,就是流过圆柱体表面的气流在后方形成的低压脱体涡。所以,放下襟翼也能增大升力。
综上所述,飞机迎角与襟翼的增升方法就是通过改变起动涡的强度大小来实现的,当我们真正了解了飞机升力的原理后理解这些问题也就不复杂不困扰了。像湖北黄冈物理中考这样用错误理论出了一道只能用正确理论来解释的题目,既误人子弟后又害人子弟,明摆着不想让学生做出这道题目,但这道题的正确解释却又否定了教科书的理论,也可说是搬起石头砸自己的脚。希望在我发了这篇文章后能以微薄之力来改变人们对飞机升力的认识!

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