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你真的认真想过飞机是怎么飞起来的吗?

2018年06月06日 15:10--浏览 · --点赞 · --评论
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你真的认真想过飞机是怎么飞起来的吗?

按照现在学校教授的普遍的说法,飞机产生升力的原理是伯努利原理,即流速大压强小,流速小压强大。飞机的升力来源于机翼上下表面的压强差,根据伯努利原理,压强差来自于机翼上下表面的空气流速差。那流速差咋来的?课本解释说由于上表面是凸起的,下表面平整,加上上下两股气流同时流过机翼,那么在时间相同的前提下通过路程长的气流自然就流速大了,课本称之为等时性原理。最后追根溯源,升力来源于路程差


这是定性的分析,让我们定量分析一下,上下表面的路程差要多大才能满足要求。

以经典的塞斯纳172为例计算。(机型数据源自百度百科)

C172


翼面积:174 ft²(16.2 m²)

翼展:36 ft 1 in11.0 m

最大起飞重量:2,450 lb(1,113 kg)

最大空速限制:163 knots (187 mph, 302 km/h,83.89m/s)

还有一些会用到的大气数据

标准大气压 1013.25百帕

标准状态下的空气密度1.29Kg/m³

核心公式:伯努利方程

重力加速度取9.8m/s^2

p+1/2ρv2+ρgh=C,这个式子被称为伯努利方程。式中p为流体中某点的压强,v为流体该点的流速,ρ为流体密度,g为重力加速度,h为该点所在高度,C是一个常量

以下是推导过程

设机翼下表面各物理量标注角标1,上表面各物理量标注角标2。

假设本架塞斯纳172低空飞行,所处高度大气压力近似为标准大气压。

在飞机正常飞行时,流过机翼的气流是连续稳定的(如果不稳定,有气流分离飞机处于失速状态)。

失速和正常飞行对比


由于正常飞行时空气的连续性,此时适用伯努利方程(这个方程就是把流体连续作为前提,利用机械能守恒定律推导出来的)。此外这里忽略了空气的粘性,和可压缩性(亚音速飞行几乎不考虑)

于是有p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2

h1、h2的差距就是机翼厚度,相对于飞行高度忽略不计,于是有

p1+1/2ρv12 =p2+1/2ρv22


由压强差产生的压力差等于重力则有

(p1- p2)s=1/2ρ(v22-v12)s=mg

代入数据

压强差是:mg/s=673.296Pa

速度平方差是:2mg/ρs=1043.87 (m/s)^2………..(1)

下表面空气流速是v1=83.89m/s……………………(2)

由(1)和(2)解出上表面空气流速v2=89.896m/s

速度差是6.006m/s

有翼展11m和翼面积16.2m^2解出机翼宽度是16.2/11=1.472m

计算下表面气流通过机翼的时间=1.472/83.89s

则上下表面的路程差是6.006X1.472/83.89=0.105m

大约是机翼宽度的7.13%。

看起来路程差不大,很符合实际。但是其实是有问题的。

判断一种解释是否完善合理的方法就是看它是否具有通用性。在这里我们一开始就遇到了一些问题。如果这种对升力的描述是正确的,那么飞机倒转过来飞行(特技表演就有倒飞姿态保持)时如何解释?使用对称机翼(机翼的上表面和下表面形状相同)的飞机又是如何飞行的?在飞机急转弯或油料消耗掉时,机翼以恒定速度飞行如何适应载荷上的改变?升力的通俗描述在给出答案的同时却带来了更多的问题。这样的解释显然不正确。

       伯努利原理和压强差原理以及速度差原理是没毛病的,问题在于等时性原理是错误的。

尽管许多人热衷于讲授升力的通俗描述,但它明显存在某些严重错误。其主要错误在于有关机翼升力的“通过时间相等原理”这一点是不正确的。这个原理仅仅在机翼不产生升力的情况下成立。


如图显示了烟风洞中模拟的机翼绕流情况,通过周期性地产生烟雾来模拟显示气流速度的变化。首先注意到的情况是,流过机翼上表面的气流比流过机翼下表面的气流先到达机翼后缘。事实上,通过机翼下表面的空气和远离机翼的空气速度相比,速度稍微小一点(柯恩达效应)。没有了“通过时间相等原理”,升力通俗描述就无法解释空气流过机翼上表面加速的原因。

       那么关于升力的准确描述是怎样的?这就涉及升力的物理描述了。这个理论模型基于牛顿三大定律和柯恩达效应(粘性流体黏附物体表面的效应)。观察上面的风洞模拟的翼型环流图,空气流在机翼周围弯曲了,而弯曲的原因是柯恩达效应。

       牛顿第一定律表明,空气的弯曲需要在空气上施加力,而牛顿第三定律则表明,机翼上存在大小相等、方向相反的力。这些都是正确的。但实际上还不止这些。首先,我们来看看机翼周围的空气弯曲情况,如图所示。


弯曲空气需要一定的力,如图中实线箭头所示,这个施加在空气上的力是与空气弯曲的方向垂直的,力的大小与弯曲的“曲度”成正比。空气弯曲的越大,力就越大。机翼受到的力(如图中虚线箭头所示)与空气受到的力大小相等但方向相反。当空气沿机翼表面弯曲时,会试图与上层气流分离。但是,由于形成真空会遇到很强的阻力,因此分离过程会降低气压(由伯努利原理,流速会增加。所以不是由于流速增加产生压强差,而是气流弯曲导致压强减小,进而流速增大。)并使相邻的上层气流弯曲。气压的降低以音速传播,导致大量空气在机翼周围弯曲。这就是机翼上表面产生低压的原因,有了压强差升力就不难解释了。

       至此,我们完善了飞机升力产生的描述,当您身边的朋友还在用等时原理解释升力的产生,快去劝劝他这不是真相。

参考书籍:《飞行原理》刘星 司海青 蔡中长 编著


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