万博士的航空讲堂(8)

十八、影响升力的因素及失速

1. 影响升力的因素

在飞机设计过程中，设计师总是希望飞机的升力足够大而阻力很小，以利于达到更好的飞行性能。但从物理角度出发，飞机的升力受多方面因素制约。经过理论计算和试验证明，升力公式可表达为：

其中：L为升力，ρ为密度，V为速度，CL为升力系数，S为机翼面积。从这个公式可以看出，飞机的升力受到升力系数、空气密度、机翼面积的影响。

（1）空气密度的影响

升力的大小与空气密度成正比，密度越大，则升力越大；当空气很稀薄时，机翼上产生的升力也很小。由于在高空飞行时空气密度下降，因此为了满足升力的要求，飞机要有较大的飞行速度和机翼面积。

（2）速度的影响

这里的速度是指气流速度，即空气与飞机的相对速度。气流速度越大所感受到的风力也就越大。同样，当气流速度越大时，所产生的空气动力就越大，机翼上产生的升力也就越大。但升力与气流速度并不是简单的正比关系，而是与气流速度的平方成正比。

（3）机翼外形、剖面形状和迎角的影响

机翼的剖面形状和迎角不同，所产生的升力也不同。这一特性可以用升力系数随迎角和机翼外形、剖面形状的变化来表示。因为不同的机翼外形、剖面形状和迎角，会使机翼周围的气流流动状态（包括流速和压强）等发生变化，从而导致升力的改变。马赫数一定的情况下，不同的翼型在同一迎角下的升力系数不同；而迎角一定的情况下，同一翼型在不同马赫数下的升力系数也不同。

飞机发明初期，因为没有意识到翼型的作用，所以曾采用平板和弯板翼型。后来，随着理论研究和实践研究的不断深入，人们逐渐认识到翼型的重要性及其对升力所起的作用，因此创造了很多适合于各种不同需要的翼型，并通过实验确定出各种不同翼型的空气动力特性。

（4）机翼面积的影响

机翼是飞机产生升力的主要部件，升力的大小与机翼面积的大小成正比。在计算机翼面积时，要连同计算与机翼相连接的那部分机身的面积。

2. 失速的含义

机翼产生升力的大小，与翼型的形状和迎角有很大关系，迎角不同产生的升力也不同。一般来讲，不对称的流线形翼型在迎角为零时仍可产生升力，而对称翼型和平板翼型在迎角为零时产生的升力却为零。

随着迎角的增大，升力也会增大，但当迎角增大到一定程度时，气流就会从机翼前缘开始分离，尾部会出现很大的涡流区。这时，升力会突然下降，而阻力却迅速增大。这种现象被称为“失速”，如图1所示。失速刚刚出现时的迎角叫“临界迎角”。飞机不应以接近或大于临界迎角的状态飞行，否则会失速，甚至造成飞行事故。

如果以升力系数的形式表示机翼升力随迎角的变化，则如图2所示。在临界迎角之前，升力系数随迎角的增加几乎呈直线增加。但当迎角大于临界迎角之后，升力系数则迅速下降。

十九、阻力及减阻方式

飞机在空中飞行时由于空气的阻滞会产生阻力。不仅机翼上会产生阻力，飞机的其它部件如机身、尾翼、起落架等都会产生阻力，但机翼阻力占飞机总阻力的很大一部分。

低速、亚声速飞机上的阻力按其产生的原因不同可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力等。当飞机进入跨声速之后，还会受到激波阻力。

1. 阻力的分类

（1）摩擦阻力

摩擦阻力是由于大气的粘性而产生的。当气流以一定速度流过飞机表面时，因为空气的粘性作用，空气微团与飞机表面发生摩擦，阻滞了气流的流动，所以产生了摩擦阻力。

摩擦阻力的大小，取决于空气粘性、飞机表面状况、表面气流流动情况以及与气流接触的飞机表面积大小。空气粘性越大，飞机表面越粗糙，飞机表面积越大，则摩擦阻力越大。为减小摩擦阻力，采取的措施主要有：设计时尽可能缩小飞机与空气相接触的表面积；制造中将飞机表面做得光滑、甚至将表面打磨光；维护使用保持好飞机表面光洁等。

（2）压差阻力

压差阻力是由于流过物体的气流，在物体的前后存在压力差（物体前缘压力大，后缘压力小）而造成的。压差阻力与物体的迎风面积有很大关系，迎风面积越大，压差阻力也越大。

物体的形状对压差阻力也有很大影响。如果把一个圆形平板垂直地放在气流中（图3（a）），因气流受到平板的阻拦，平板前面压强迅速升高，而平板后面则形成低压区，产生了很大的压差阻力。

如果在圆形平板前加一个圆锥体（图3（b）），因平板前面的高压区被圆锥体填满，故气流可以平滑地流过，压强不会急剧升高。虽然平板后面的低压区仍存在，但前后压强差却大大减小，其压差阻力仅为原平板压差阻力的1/5左右。

如果在圆形平板后面再加一个细长的圆锥体（图3（c）），低压区也被填满，那么整个流线体后面只会出现很少的旋涡，而此时的压差阻力只是原平板压差阻力的1/20左右。

要减小压差阻力，应尽可能将暴露在空气中的各个部件或零件做成流线形的外形，并减小迎风面积；对飞机的各个部件进行整流，如给不能收起的起落架和活塞式发动机加装整流罩。进行整流也要选择合适的外形，图4是不同形状的物体压差阻力大小的对比。从图中可以看出，像翼型一样的外形，压差阻力最小。

（3）诱导阻力

诱导阻力伴随升力而产生，如果没有升力，诱导阻力也就等于零。因此，这个由升力诱导而产生的阻力叫“诱导阻力”，又叫“升致阻力”。

飞机的诱导阻力主要来自翼面。当飞机飞行时，下表面压强大，上表面压强小，由于机翼翼展的长度有限，因此下表面的气流就力图绕过翼尖流向上表面（图5）。

这样，在翼尖处就不断形成旋涡。随着飞机向前飞行，旋涡从翼尖向后流去，并产生向下的下洗流。在下洗流的作用下，原来的气流速度由V变为V'（图6）。由V'所产生的升力Y'垂直于V'。而Y'又可分解为垂直于V的分量Y和平行于V的分量D。其中Y起着升力的作用，而D则起着阻碍飞机飞行的作用。这个由于下洗流影响所产生的附加阻力就是“诱导阻力”。

诱导阻力与机翼的平面形状、翼剖面形状、展弦比等有关，可以通过增大展弦比，选择适当的平面形状（如椭圆形的机翼平面形状），增加翼梢小翼等来减小诱导阻力。现代客机为了减小诱导阻力往往在翼尖安装翼梢小翼，如图7所示。

（4）干扰阻力

所谓“干扰阻力”是飞机各部件组合到一起后由于气流的相互干扰而产生的一种额外阻力。这使得飞机的各个部件，如机身、机翼和尾翼等，单独放在气流中所产生的阻力总和并不等于它们组合在一起所产生的阻力，而后者往往大于前者。

如图8所示，当把机翼和机身组合到一起时，机身和机翼之间就形成了一个先收缩后扩张的通道。这种通道使得气流在流动过程中压强由小变大，导致后边的气流有往前回流的趋势，并形成一股逆流。这股逆流与不断从通道流过来的气流相遇，产生很多旋涡，从而产生了一种额外的阻力，即由各部件相互干扰而产生的“干扰阻力”。

干扰阻力与飞机不同部件之间的相对位置有关，因此在设计时要妥善考虑和安排各部件的相对位置，必要时在这些部件之间加装流线形的整流片，使连接处圆滑过渡（图8），以尽量减小旋涡的产生。

以上所述是低速飞机所产生的4种阻力。至于高速飞机，除这4种阻力之外，还有激波阻力。

（5）激波阻力

飞机在空气中飞行时，前端对空气产生扰动，并通过扰动波的形式以声速传播。当飞机的速度小于声速时，扰动波的传播速度大机前进速度，传播方式为四面八方；而当物体以声速或超声速运动时，扰动波的传播速度等于或小机前进速度。这样，后续扰动就会和已有扰动波叠加，形成较强的波。空气因此遭到强烈压缩而形成激波。

空气在通过激波时，受到薄薄一层稠密空气的阻滞，气流速度急骤降低，由阻滞产生的热量来不及散布，空气因此被加热。加热所需的能量从消耗的动能而来，而能量也发生了转化——动能变为热能。动能的消耗表示产生了一种特别的阻力。因为这一阻力随激波的形成而来，所以被称为“波阻”。

不同头部形状的机翼和机身，在进行超声速飞行时，所产生的激波型式不一样。如图9所示，钝头机翼和机身所产生的激波为正激波，尖头机翼和机身所产生的激波为斜激波。由于正激波的阻力远大于斜激波的阻力，因此超声速飞机往往采用尖前缘机翼和尖机头。

此外，采用后掠翼和超临界翼型，都能在一定程度上减小波阻。因此，通过观察机翼前缘的尖锐程度以及机翼后掠角可大致判断是低速飞机、亚声速飞机还是超声速飞机。

2. 阻力系数

为了研究方便，通常采用无量纲系数的方法来表示飞机的阻力特性。飞机的阻力公式可以表达为：

其中：D为阻力，ρ为密度，V为速度，CD为阻力系数，S为机翼面积。从这个公式可以看出，飞机的阻力受到阻力系数、空气密度、机翼面积的影响。

二十、升阻比

在空气动力学中，升阻比是指飞行器在同一迎角下升力与阻力的比值。升阻比是一个非常重要的飞行参数，直接与飞机经济性能和航时等参数相关。飞行器的升阻比越大，其空气动力性能越好，对飞行越有利，爬升性能越佳。在无动力情况下升阻比就等于滑翔比，即下降单位高度所能滑翔前进的距离。如升阻比为20的滑翔机，以此升阻比飞行时，每下降1米的高度，可以向前滑翔20米。

升阻比的大小与迎角的大小密切相关。如图10所示，随着迎角的增加，升阻比先增后减，最大升阻比并不出现在小迎角下，也不出现在大迎角下。有的读者可能会问：为什么阻力系数最小时，或者升力系数最大时，升阻比却不是最大呢？这个问题可通过对图10的分析回答。该图给出了阻力系数、升力系数和升阻比三条曲线随迎角的变化情况。

从图10可以看出，阻力系数最低的迎角并不是升阻比最大的迎角，因为该迎角下产生的升力系数不大，使得升阻比也较小。同样，升力系数最大的迎角也不是升阻比最大的迎角，因为该迎角下阻力系数可能太大，使得升阻比也较小。最大升阻比的迎角一般会在阻力系数最低的迎角及升力系数最大的迎角之间。

在确定了最大升阻比对应的迎角后，查出该迎角情况下升力系数的大小，再根据升力的计算公式，以及飞机平飞时升力等于重力这一条件，就可算出一定重量的飞机在水平飞行时最大升阻比对应的飞行速度。在设计固定翼飞机时，一般都会让最大升阻比的速度等于巡航速度，以提升经济效果。

不同飞行速度范围的升力特性和阻力特性不同。为了提高飞机的升阻比，对于低速或亚声速巡航的飞机，可以通过采用大展弦比、小后掠角、设置合适的机身/机翼相对安装角等方法实现。对于超声速巡航的飞机，则主要设法减小波阻。

通常，飞机的升阻比远低于翼型的升阻比。翼型的升阻比往往高到一百多，至少也是几十。而飞机的升阻比最大也就是几十，大部分则是十几，甚至更低。如滑翔机的最大升阻比约为30～60，轻型飞机的最大升阻比约7～8，亚声速运输类飞机最大升阻比约为16～18，“协和”号超声速旅客机的最大升阻比约为8，以8～10倍马赫数飞行的高超声速飞行器的最大升阻比约为3～4。

有的读者可能会问，以留空时间为指标的无动力自由飞模型，是不是以最大升阻比飞行，在一定的高度下，留空时间就最长呢？答案是否定的。只能说以最大升阻比状态滑翔的距离最远，但留空时间并不是最长的。对应于自由飞模型的最长留空时间是其升力系数和阻力系数满足以下条件：取最大值。（未完待续）