飞机飞行的基本原理课件

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1、第二章 飞机飞行的基本原理,主讲人:刘建强,飞机飞行的基本原理,飞机为什么能够在天上自由地飞行而不会掉下来呢？ 其实这与飞机的结构和飞机飞行的环境有着密切的关系。 以下这一章我们一起去学习飞机飞行的基本原理，希望通过这一章的学习我们能够很好地掌握飞机飞行的基本原理。,飞机飞行的基本原理,飞行环境对飞行器的飞行轨迹、结构、材料和飞行性能都有着非常重要的影响。只有了解和掌握了飞行环境的变化规律，并设法克服或减少飞行环境对飞行器的影响，才能保证飞行器飞行的准确性和可靠性。 这里所指的飞行环境包括地球表面的大气层和地球大气层以外的宇宙空间。,2.1飞行器飞行环境,2.1.1大气层,航空器唯一的飞行活动

2、环境就是大气层（空气层），大气层包围着地球，大气层总质量的99.99%集中在50km高度以内，其中的90%集中在离地球表面15km高度以内，在2000km高度以上，大气极其稀薄，逐渐向行星际空间过渡，大气层没有明显的上界。 如果以气温变化为基准，可将大气层分为五层：,2.1.1大气层,1、对流层 大气中最低的一层为对流层，其气温随高度增加而逐渐降低。 对流层的上界随地球纬度、季节的不同而变化。就纬度而言，对流层上界在赤道地区平均为1718 km；在中纬度地区平均为1012km；在南北极地区平均为89km。也就是说，由赤道向南北极，随着纬度的增加，对流层顶界逐渐降低。就季节而言，对流层的顶界夏季

3、高于冬季。,大气层,对流层的特点 （1）气温随高度升高而降低：在对流层内，平均每升高100m气温下降0.65，所以由叫变温层。该层的气温主要靠地面辐射太阳的热能而加热，所以离地面越近，空气就越热，气温随高度的增加而逐渐降低。爬过高山的人都知道山上比山下冷，就是这个道理。 （2）有云、雨、雾、雪等天气现象：地球上的水受太阳照射而蒸发，使大气中聚集大量的各种形态的水蒸气，随着尘埃被带到空中，几乎全部水蒸气都集中在这一层大气内，因而在不同的气温及条件下，就会形成云、雨、雾、雪、雹等天气现象。,大气层,对流层的特点 （3）空气上下对流激烈：由于地面有山川、湖泊、沙漠、森林、草原、海棠等不同的地形和地貌

4、，因此，造成垂直方向和水平方向的风，即空气发生大量的对流。例如森林吸热少散热慢，而沙漠吸热多散热快，因而沙漠上面的空气被加热得快，温度较高，向上浮升，四周的冷空气填入所离开的空间，因而造成上升气流和水平方向的风。,大气层,2、平流层 平流层位于对流层之上，顶界伸展到5055km，空气稀薄，所包含的空气质量约占整个大气质量的四分之一。在平流层内，空气没有上下对流，只有水平方向的风，这种水平风的形成，是由于高空中空气稀薄，摩擦力减小，当空气随着地球自转而运动时，上层空气落后于下层空气，就形成了与地球自转方向相反，方向一定的水平风。 平流层在25km高度以下，因受地面温度的影响较小，气温基本保持不变

5、，平均温度为-56.5C，所以又叫同温层。高度超过25km，气温随高度增加而上升，这是因为该层存在着臭氧，会吸取太阳辐射热的缘故。 飞行器的飞行的理想环境是对流层和平流层。,大气层,3、中间层 中间层在平流层之上，离地球表面5085km。在这一层内，气温先是随高度升高而升高（在53km高度处气温达282.66K），以后又下降（在80km高度处降到196.66K）。该层内空气非常稀薄，质量仅占整个大气质量的三千分之一。,大气层,4、电离层 电离层从中间层顶延伸到800km高空。这一层的特点是：空气极为稀薄，只占总大气质量的0.5%。大气中的氮、氧分子由于受到宇宙高能粒子的冲击和照射，电离成为离子

6、和自由电子，带有很强的导电性，能吸收、发射和折射无线电波。正因为有了电离层，某些频率的无线电波可以沿地球的曲面传送，这对远距离无线电通讯起着很大作用。 该层的另一特点是，温度随高度的增加而增加，这是由于电离层中宇宙尘能吸收太阳热量，并且空气在电离时也释放出很多热量，所以电离层又称为暖层。,大气层,5、散逸层 散逸层又称为外层，是地球大气的最外层，它的边缘和极其稀薄的星际气体没有明显的分界，一般认为在20003000km的高度。由于远离地面，受地球引力作用小，因而大气分子不断向星际空间逃逸。,大气层,大气的物理特性与标准大气,1、大气的物理特性 (1)连续性 大气是由分子构成的，在标准状态下（即

7、在气体温度为15 C、一个大气压的海平面上），每一立方毫米的空间里含有2.71016个分子。当飞行器在这种空气介质中运动时，由于飞行器的外形尺寸远远大于气体分子的自由行程，故在研究飞行器和大气之间的相对运动时，气体分子之间的距离完全可以忽略不计，即把气体看成是连续的介质。这就是在空气动力学中常说的连续性假说。,大气的物理特性与标准大气,(1)连续性 随着海拔高度的增加，大气的密度越来越小，故气体分子的自由行程越来越大。在地球表面气体分子的自由行程很小，大约为610-8m。当飞行器在40km以下的高度上飞行时，可以认为是在稠密大气层内飞行，这时气体可看成是连续的。在120150km高度上，气体分

8、子的自由行程大约与飞行器的外形尺寸在同一数量级范围之内。在200km高度上，气体分子的自由行程有好几千米，在此情况下，大气就不能看成是连续介质了。,1、大气的物理特性 (2)压强 大气的压强是指物体的单位面积上所承受的大气的法向作用力的大小。 在静止的大气中，不论哪一处的大气都没有铅垂方向的运动。这表明任何一处的大气所受到的铅垂方向的力都是平衡的，即静止大气中每一处的气压都与该处上空的大气柱重力平衡。从数量上来说，大气压强也就是物体的单位面积上所承受的大气柱的重力。 压强的单位是牛/米2或帕，即N/m2或Pa。,大气的物理特性与标准大气,图2.1 空气粘性实验,大气的物理特性与标准大气,（3）

9、粘性,结论： 大气的粘性是空气在流动过程中表现出的一种物理性质，大气的粘性力是相邻大气层之间相互运动时产生的牵扯作用力，也叫做大气的内摩擦力。大气分子的不规则运动，就是造成大气粘性的主要原因。,大气的物理特性与标准大气,1、大气的物理特性 （4）可压缩性 气体的可压缩性是指当气体的压强改变时其密度和体积改变的性质。 不同状态的物质可压缩性也不同。液体对这种变化的反应很小，因此一般认为液体是不可压缩的；而气体对这种变化的反应很大，所以一般来讲气体是可压缩的物质。 当大气流过飞行器表面时，压强会发生变化，密度也会随之发生变化。但是，当气流的速度很低时，压强的变化量较小，其密度的变化也很小。研究大气

10、低速流动的有关问题时，可不考虑大气的可压缩性的影响。当大气流动的速度较高时，就必须考虑大气的可压缩性。由于可压缩性的影响，使得大气以超音速和低速流过飞行器表面时有很大的差别，在某些方面甚至还会发生质的变化。,大气的物理特性与标准大气,2、标准大气 前面所述的大气物理性质是随着所在地理位置、季节和高度而变化的，这样就使得航空器上产生的空气动力也发生变化，从而使飞行性能发生变化。为了在进行航空器设计、试验和分析时所用大气物理参数不因地而异，必须建立一个统一的标准，即所谓的标准大气。 国际标准大气的规定：（1）大气被看成完全气体，即服从状态方程。（2）以海平面的高度为零。在海平面上，大气的标准状态为

11、：气温t=15；压强p=1atm；密度=1.2250kg/m3；声速c=314m/s。,大气的物理特性与标准大气,2.2气流特性,引言： 重于空气的飞机，是靠飞机与空气作相对运动时所产生的空气动力，克服自身的重力而升空的。没有飞行速度，在飞机上就不会产生空气动力。空气动力的产生是空气和飞机之间有了相对运动的结果。因此要了解飞机的飞行原理，首先应该了解飞机与空气之间的相对运动规律。,2.2气流特性,2.2.1相对运动原理,2.2气流特性,由上面的例子分析得出： 作用在飞机上的空气动力不会因观察者的角度发生变化而变化，无论是飞机在静止的空气中飞行还是气流流过静止的飞机，只要两者相对速度相等，飞机上

12、所受的空气动力就完全相等。这个原理就叫做“相对运动原理”。 利用这一原理，无论从实验研究角度看还是从理论研究角度看都会带来很大的方便，所以它被广泛地应用于航空、航天、航海部门以及交通运输等部门，例如“风洞实验”就是建立在这个原理的基础之上。,要研究空气动力，首先要了解气流的特性。气流特性是指空气在流动中各点的流速、压力和密度等参数的变化规律。而“稳定气流”，是指空气在流动时，空间各点上的参数不随时间而变化。如果空气流动时，空间各点上的参数随时间而改变，这样的气流称为不稳定气流。 在稳定气流中，空气微团流动的路线叫做“流线”。流体流过物体时，由许多流线所组成的图形，叫做“流线谱”。流线谱真实地反

13、映了空气流动的全貌，可以看出空间各点空气流动的方向，也可以比较出空间各点空气流动速度的快慢。,2.2.2稳定气流,2.2.2稳定气流,2.2.2稳定气流,因为空气微团总是沿着流线流动，所以在流线一边的空气不会流到流线的另一边，对管道的横截面而言，任何相邻流线都可以看成是管道的管壁，两条流线之间的空气就好像沿管中流动一样，通常把由流线所组成的管子叫做“流管”。 流线愈稠密，流线之间的距离缩小，就是流管变细。相反，流线愈稀疏，流线之间的距离扩大，就是流管变粗。 如果流动是稳定的，由于同一流线上的空气微团都以同样的轨道流动，那么，流管的形状就不随时间而变化。这样，在稳定流动中，整个气流可以认为是由许

14、多单独的流管组成。,流体绕流物体时它的各个物理量，比如速度、压力和温度等都会发生变化。这些变化必须遵循的基本物理定律是：质量守恒定律、牛顿运动第三定律、热力学第一定律（能量守恒与转换定律）和热力学第二定律等。用流体流动过程中的各个物理量描述的基本物理定律，就组成了空气动力学的基本方程组，它是理论分析和计算的出发点，也是解释用实验方法获得飞机空气动力特性与规律的基础。,2.2.3连续性定理,首先我们来看连续性定理。 当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的流管时，在管道粗的地方流速比较慢，在管道细的地方流速比较快，如图2.7所示。这是由于管中任一部分的流体既不能中断也不能堆积，因此在同一时间，流

15、进任一截面的流体质量和从另一截面流出的流体质量应该相等。这就是质量守恒定律。,2.2.3连续性定理,在单位时间内，流过任一截面的流体体积等于流体流过该截面的速度乘以该截面的面积，而体积与流体密度相乘，即为单位时间内流过该截面的流体质量。即质量流量qm,2.2.3连续性定理,qm vA 流体密度，kg/m3； v 流体流速，m/s ； A 所取截面面积，m2； 单位时间内通过截面A-A和B-B的流体的质量流量应相等 qm1 qm2 常数 1v1A12v2A2 常数,这就是质量方程或连续方程。它说明通过流管各横截面的质量流量必须相等。,对于不可压缩流体，1=2=常数，则上式变为 v1A1= v2A

16、2 （2-3） 由上式可知，对于不可压缩流体来说，通过流管各横截面的体积流量必须相等。它表明，流管横截面变小，平均流速必须增大；反之，流管横截面变大，平均流速必须减小，否则将违背质量守恒定律。也就是说流体流速的快慢与管道截面的大小成反比，这就是“连续性定理”。日常生活中，常常可以发现在河床浅而窄的地段，河水流得比较快；在河床深而宽的地段，河水流得比较慢。山谷里的风通常比开阔平原的风大，也是这个原理。,2.2.3连续性定理,2.2.4伯努利定理,伯努利定理是描述流体的压强和速度之间的关系。 日常生活中可以观察到空气流速发生变化时，空气压力也相应的发生变化的例子。例如向两张纸片中间吹气，两纸不是彼此分开，而是互相靠拢。这说明两纸中间的空气压力小于纸片外的大气压力，于是两纸在压力差的作用下靠拢。又如河中并排行驶的两条船，会互相靠拢。这是因为河水流经两船中间因水道变窄会加快流速而降低压力，但河水流过两船外边，流速和压力则变化不大，这样两船中间同外边形成水的压力差，使两船靠拢。,2.2.4伯努利定理