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飛機飛行的基本規(guī)律

 廣東新正機場 2020-07-02

關(guān)于飛機為什么和怎么樣飛起來的基本規(guī)律,從萊特兄弟的第一架飛機到現(xiàn)代的隱形轟炸機,從遙控飛機到真飛機,其實都是一樣的。雖然飛機的真實運動規(guī)律非常復雜,但我們完全可以把它簡化成我們能理解的樣子,從而至少知道怎樣把飛機飛起來。

1.空中受力

基本上只有四種空中受力:升力、阻力、動力和重量。

簡單而言,阻力是空氣對的機身向后推力,動力是馬達提供的向前推力,升力是空氣提供的向上的托力,而重量使飛機向下沉。所以,飛機要飛起來并在空中滯留,動力必須大于阻力,而升力必須大于重量。誠如您所見到的那樣,動力和阻力作用相反,而升力和重量作用相反。

當然,上面講的,是起飛或爬升時的情況。但是,當飛機水平直飛時,升力應該和重量相當。在下降過程中,重量超過升力。而要使飛機慢下來,阻力必須克服動力。下圖展示了這四種力對飛機的作用。

動力由飛機的引擎(螺旋槳或噴氣)產(chǎn)生,重量由重力產(chǎn)生,阻力由飛機機體與空氣分子的摩擦產(chǎn)生,升力由飛機機翼提供。

關(guān)于升力,理論上還有許多爭議,但這里也有一些公認的規(guī)律。

典型的機翼橫剖面,將顯示,上表面比下表面的曲度(譯者:帶點弧度)要大的多。這種輪廓被稱為“翼型”(aerofoil)。而這種翼型之所以存在,是因為它已經(jīng)久經(jīng)驗證(從飛行的曙光出現(xiàn)以來),它使向上的空氣作用力大于向下的空氣作用力,即能更有效地產(chǎn)生升力。

在飛行過程中,氣流的自然流動,被機翼分成了上層氣流和下層氣流兩個部分。任何偏轉(zhuǎn)將會導致不同的空氣壓力(或壓力梯度)。由于翼型的存在,上層氣流施加于機翼的壓力,將比下層氣流的小,所以機翼就從壓力大的位置被推向壓力小的位置,或者說,機翼就被“吸”到上邊去。

其中一個有爭議的升力理論與牛頓第三定律有關(guān),飛機相對于機翼下方的空氣產(chǎn)生了作用力,因此飛機也會受到相應的反作用力,而被“托”起來。這也許有點道理,但上下層空氣的壓力差才是升力產(chǎn)生的主要原因。

上圖:翼型上的各種空氣作用

如果您想自己做試驗來產(chǎn)生一些升力,那么,盡管是一種不同的方式,拿一張紙放到嘴邊,用力吹氣,然后您就會看到紙片被“吸”到上面來了。因為您吹走了上層的空氣分子,而使上層空氣變得稀薄,于是向下的壓力就變小了,所以向上的壓力就能產(chǎn)生升力。

當然,機翼上產(chǎn)生升力的原理,遠比這個復雜,但最后結(jié)果是一樣的。

上圖:自己做個升力試驗

機翼相對于空氣的運動越快,產(chǎn)生的升力越大,相反,速度越慢,升力越小。這點非常重要。當然,針對不同的飛行速度,有不同的機翼設計(翼型和樣子),從而產(chǎn)生不一樣的升力。

升力的另一個直接作用就是產(chǎn)生向后作用的阻力,這也跟空速有關(guān)。所以,為了能產(chǎn)生更高的效率,在翼型設計上,要使升力最大化,而使阻力最小化。

2.攻角和升力

產(chǎn)生升力的另一個關(guān)鍵因素是攻角。這是一個機翼相對于周圍的水平氣流的俯仰角。參見更前面的示意圖。

隨著攻角的增加,將產(chǎn)生越來越大的升力,但很快來到一個臨界點上,升力不增反減。這時候,就會產(chǎn)生機翼失速現(xiàn)象,而機身的重量也不再被“托”起。

當失速發(fā)生時,掉高度是無可避免的。直至駕駛員采取正確的措施來增加空速(通過減小機頭的抬起角度,和加大動力),以重新獲取升力。

攻角和翼型,在升力的產(chǎn)生過程中同等重要。事實上,由于攻角(A0A,即attack of angle)的作用,平面翼也能產(chǎn)生足夠的升力。但最大的不同在于產(chǎn)生升力的效率。那時候,平面翼會產(chǎn)生更大的阻力。

3.飛機舵面

根據(jù)飛機飛行的控制方式,舵面是必須的。四個主要的舵面(副翼、升降舵、方向舵和襟翼)如下圖所示:

要了解每個舵面的作用,首先想象出貫穿機體的三條軸線(即上圖所示的藍色線條)。一條橫軸,從左翼尖到右翼尖,一條縱軸,從機頭到機尾,一條垂直軸,從下到上。三條軸線都經(jīng)過飛機重心(Center of Gravity,簡寫為CoG),即飛機上的關(guān)鍵平衡點。

當飛機向前飛行時,它會對舵面運動做出響應,即繞軸線旋轉(zhuǎn)。下表說明了相應的動作。

下面部分說明飛機運動與舵面運動的關(guān)系。

4.副翼與橫滾

副翼位于左右機翼的后緣,控制飛機繞縱軸滾轉(zhuǎn)。規(guī)則是:同時反向偏轉(zhuǎn)。如,左副翼上偏則右副翼下偏,左機翼下偏則右副翼上偏。

這樣的規(guī)則導致:上偏副翼所在的機翼,升力下降;而下偏機翼所在的機翼,升力上升。因為這些微妙的變化,飛機將被迫向相應方向滾轉(zhuǎn)。如,當操作員把副翼搖桿往左打時,左副翼上偏,飛機向左滾轉(zhuǎn)。副翼由RC發(fā)射機上相應搖桿的左/右運動來控制。

5.升降舵和俯仰

升降舵位于水平尾翼的后緣。和副翼的情形一樣,升降舵面上偏或下偏,將使機頭上抬或下沉。

推桿(譯者:當把RC發(fā)射機拿到面前時,把升降搖桿在RC發(fā)射機表面向上推,即相對于您向前推)使升降舵面下偏,機頭下沉;拉桿(譯者:當把RC發(fā)射機拿到面前時,把升降搖桿在RC發(fā)射機表面上向下拉,即相對于您向后拉)使升降舵面上偏,機頭上抬。和副翼不一樣,左右升降舵面要么一起上偏,要么一起下偏。

6.方向舵和偏航

方向舵位于垂直尾翼的后緣。方向搖桿往左打,方向舵面就會向左偏轉(zhuǎn),從左邊撞擊過來的空氣,就會使機頭左轉(zhuǎn);方向搖桿往右打,方向舵面就會向右偏轉(zhuǎn),從右邊撞擊過來的空氣,就會使機頭右轉(zhuǎn)。

7.襟翼

襟翼位于機體和副翼之間,主要作用是在空速較低時產(chǎn)生更大的升力,這樣能使飛機在嚴重減速時不至于失速墜落。更進一步,襟翼能產(chǎn)生更大的阻力,比只是減少油門時還要大,這樣就能使飛機慢下來。雖然失速的風險一直存在,但當使用襟翼時,如,使之向下偏轉(zhuǎn)10度,這樣,即使失速,飛機也不會那么快墜落,即給飛行員一點緩沖時間來把飛機救回來。顯然,不同的飛機,有不同的失速速度和安全空速。

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