机翼如何让飞机飞起来

主要动力:

空气动力 和 推进力

具体原理:

1.空气动力学

空气动力学(Aerodynamics)是流体力学的一个分支,主要研究物体在空气或其他气体中运动时所产生的各种力。我们来看一下飞机机翼的横截面,很明显上方边缘弧度比下方要大。这也就意味着,如果气流分为两股分别从上下方经过,上方的气流要经过的距离更远,也就是说,经过机翼上方的这股气流的流速要比经过机翼下方的气流流速大。

有些人应该学到过伯努利效应( Bernoulli Effect)吧,没有听过也不要紧,大蓝一句话就能给你解释清楚,说白了就是包括气体在内的所有流体在流动时,流速越大,产生的压强越小,流速越小,产生的压强越大。这完美地解释了飞机机翼是如何受力的。机翼上表面受到的压力远小于下表面受到的压力,就产生了向上的升力。

2.推进力

那么你知道升力是如何产生的了,当然,如果要想产生升力,一个首要的条件就是要有气流,也就是说,机翼要在空气中穿过。再讲白一点就是飞机得往前移动!那么怎么才能往前呢?自然是给力呀!这时候飞机引擎就派上用场了,引擎产生的推进力(Propulsion)让机翼在周围环绕的空气中穿行,由此产生了纵向压力差,也就是升力。这时,基本就达到了一个平衡状态,水平方向的推进力和相对的空气阻力,以及垂直方向的向上的升力和向下的重力。

3.可能会问:

①关了引擎也能飞?

其实即使在空中引擎停止工作了(不要担心,这是很罕见的情况!),飞机仍然可以向前滑翔很长一段距离。每次在快接近目的地的时候,我们都会降低引擎的推进力,以达到减速目的。通常飞机降落需要20分钟左右,而取决于不同型号,飞机可以继续向前滑行大约220公里。所以,在下降期间,其实我们相当于坐在一个大滑翔机里哦!

②机翼组件是不断在变化的吗?

如果你的座位在机翼附近,那么你可以观察下在飞行中机翼组件的变化了,大部分能变化的部件都集中在机翼后方。机翼的设计是为了在常规飞行速度下提供最佳的上升力,我们称之为巡航速度。对于喷气机来说,巡航速度为每小时850公里。当然,我们不可能以这么高的速度起飞或降落,不然得需要建造一条超长跑道了……

③怎么操控升力大小?

升力的大小取决于两个因素:飞机的速度和机翼的弧度。我们在起飞和降落时会调整机翼的弧度,从而使机翼提供更大的升力。调整的方法就通过襟翼的变化。所谓襟翼(flap),就是飞机机翼上可以一点点延伸出来的长板子。成功起飞后,在飞机加速期间,襟翼会被收起来。

④飞机怎么转向?

知道飞机如何能飞起来了,那么它又是如何转向的呢?这就要靠机翼后缘两边对称的可以调整角度的面板了,这也就相当于船上的舵。我们通过这块副翼(Ailerons)调整一边的机翼弧度,使两边的机翼所受升力产生差异,这样飞机便可以向一边转向了。比如,需要左转时,我们把右侧机翼的副翼降低,产生更大的弧度和升力,左边的机翼就会相应被压低,达到转向目的。

⑤机翼还能协助减速?

在机翼的上方还有几块可以翘起来的长板子,这就是我们所谓的“减速板”(Speed Brakes),当减速板翘起来时,会增加空气阻力并扰乱机翼上表面的气流,减小升力,协助飞机减速下降。

机翼如何让飞机飞起来图1
机翼如何让飞机飞起来图2
机翼如何让飞机飞起来图3

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。

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