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飞行原理简介(一)
要了解飞机的飞行原理就必须先知道飞机的组成以及功用,飞机的升力是如何产生的等问题 。这些问题将分成几个部分简要讲解。
一、飞行的主要组成部分及功用
到目前为止,除了少数特殊形式的飞机外,大多数飞机都由机翼 、机身、尾翼、起落装置和动力装置五个主要部分组成:
1. 机翼——机翼的主要功用是产生升力 ,以支持飞机在空中飞行,同时也起到一定的稳定和操作作用。在机翼上一般安装有副翼和襟翼,操纵副翼可使飞机滚转 ,放下襟翼可使升力增大。机翼上还可安装发动机 、起落架和油箱等 。不同用途的飞机其机翼形状、大小也各有不同。
2. 机身——机身的主要功用是装载乘员、旅客 、武器、货物和各种设备,将飞机的其他部件如:机翼、尾翼及发动机等连接成一个整体。
3. 尾翼——尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼 。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成,有的高速飞机将水平安定面和升降舵合为一体成为全动平尾。垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转 ,保证飞机能平稳飞行 。
4.起落装置——飞机的起落架大都由减震支柱和机轮组成,作用是起飞 、着陆滑跑,地面滑行和停放时支撑飞机。
5.动力装置——动力装置主要用来产生拉力和推力 ,使飞机前进。其次还可为飞机上的其他用电设备提供电源等 。现在飞机动力装置应用较广泛的有:航空活塞式发动机加螺旋桨推进器、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机。除了发动机本身,动力装置还包括一系列保证发动机正常工作的系统。
飞机上除了这五个主要部分外,根据飞机操作和执行任务的需要 ,还装有各种仪表 、通讯设备、领航设备、安全设备等其他设备 。
二、飞机的升力和阻力
飞机是重于空气的飞行器,当飞机飞行在空中,就会产生作用于飞机的空气动力,飞机就是靠空气动力升空飞行的。在了解飞机升力和阻力的产生之前 ,我们还要认识空气流动的特性,即空气流动的基本规律。流动的空气就是气流,一种流体 ,这里我们要引用两个流体定理:连续性定理和伯努利定理:
流体的连续性定理:当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管道时,由于管道中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来,因此在同一时间内 ,流进任一切面的流体的质量和从另一切面流出的流体质量是相等的。
连续性定理阐述了流体在流动中流速和管道切面之间的关系 。流体在流动中,不仅流速和管道切面相互联系,而且流速和压力之间也相互联系。伯努利定理就是要阐述流体流动在流动中流速和压力之间的关系。
伯努利定理基本内容:流体在一个管道中流动时 ,流速大的地方压力小,流速小的地方压力大 。
飞机的升力绝大部分是由机翼产生,尾翼通常产生负升力 ,飞机其他部分产生的升力很小,一般不考虑。从上图我们可以看到:空气流到机翼前缘,分成上 、下两股气流,分别沿机翼上、下表面流过 ,在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出,流管较细,说明流速加快 ,压力降低 。而机翼下表面,气流受阻挡作用,流管变粗 ,流速减慢,压力增大。这里我们就引用到了上述两个定理。于是机翼上、下表面出现了压力差,垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力 。这样重于空气的飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力 ,从而翱翔在蓝天上了。
机翼升力的产生主要靠上表面吸力的作用,而不是靠下表面正压力的作用,一般机翼上表面形成的吸力占总升力的60-80%左右 ,下表面的正压形成的升力只占总升力的20-40%左右。
飞机飞行在空气中会有各种阻力,阻力是与飞机运动方向相反的空气动力,它阻碍飞机的前进,这里我们也需要对它有所了解 。按阻力产生的原因可分为摩擦阻力 、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力。
1.摩擦阻力——空气的物理特性之一就是粘性。当空气流过飞机表面时 ,由于粘性,空气同飞机表面发生摩擦,产生一个阻止飞机前进的力 ,这个力就是摩擦阻力。摩擦阻力的大小,决定于空气的粘性,飞机的表面状况 ,以及同空气相接触的飞机表面积 。空气粘性越大、飞机表面越粗糙 、飞机表面积越大,摩擦阻力就越大。
2.压差阻力——人在逆风中行走,会感到阻力的作用 ,这就是一种压差阻力。这种由前后压力差形成的阻力叫压差阻力 。飞机的机身、尾翼等部件都会产生压差阻力。
3.诱导阻力——升力产生的同时还对飞机附加了一种阻力。这种因产生升力而诱导出来的阻力称为诱导阻力,是飞机为产生升力而付出的一种“代价 ” 。其产生的过程较复杂这里就不在详诉。
4.干扰阻力——它是飞机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外阻力。这种阻力容易产生在机身和机翼、机身和尾翼 、机翼和发动机短舱、机翼和副油箱之间 。
以上四种阻力是对低速飞机而言,至于高速飞机 ,除了也有这些阻力外,还会产生波阻等其他阻力。
三、影响升力和阻力的因素
升力和阻力是飞机在空气之间的相对运动中(相对气流)中产生的。影响升力和阻力的基本因素有:机翼在气流中的相对位置(迎角) 、气流的速度和空气密度以及飞机本身的特点(飞机表面质量、机翼形状、机翼面积、是否使用襟翼和前缘翼缝是否张开等) 。
1.迎角对升力和阻力的影响——相对气流方向与翼弦所夹的角度叫迎角。在飞行速度等其它条件相同的情况下,得到最大升力的迎角,叫做临界迎角。在小于临界迎角范围内增大迎角 ,升力增大:超过临界临界迎角后,再增大迎角,升力反而减小。迎角增大 ,阻力也越大,迎角越大,阻力增加越多:超过临界迎角 ,阻力急剧增大 。
2.飞行速度和空气密度对升力阻力的影响——飞行速度越大升力 、阻力越大。升力、阻力与飞行速度的平方成正比例,即速度增大到原来的两倍,升力和阻力增大到原来的四倍:速度增大到原来的三倍 ,胜利和阻力也会增大到原来的九倍。空气密度大,空气动力大,升力和阻力自然也大 。空气密度增大为原来的两倍 ,升力和阻力也增大为原来的两倍,即升力和阻力与空气密度成正比例。
3,机翼面积,形状和表面质量对升力、阻力的影响——机翼面积大 ,升力大,阻力也大。升力和阻力都与机翼面积的大小成正比例 。机翼形状对升力 、阻力有很大影响,从机翼切面形状的相对厚度、最大厚度位置、机翼平面形状 、襟翼和前缘翼缝的位置到机翼结冰都对升力、阻力影响较大。还有飞机表面光滑与否对摩擦阻力也会有影响 ,飞机表面相对光滑,阻力相对也会较小,反之则大.
无人机科普小知识丨无人机降落有哪几种方式
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱 ,但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备 。地面 、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备,对其进行跟踪、定位、遥控 、遥测和数字传输。比如国内的劲鹰所生产的都是无人机。对于航模而言,在国际航联制定的竞赛规则里明确规定:“航空模型是一种重于空气的 ,有尺寸限制的,带有或不带有发动机的,可遥控的不能载人的航空器 。”且视距距离不超过500米 ,相对高度不超过120米。
无人机降落有哪几种方式?
1.伞降回收
伞降回收
这是一种较普通的回收方式。降落伞由主伞和减速伞(也称阻力伞)二级伞组成。当无人机完成任务后,地面站发遥控指令给无人机,使发动机慢车,飞机减速 ,降高 。到达合适飞行高度和速度时,开减速伞,使飞机急剧减速 ,降高,此时发动机已停车;当无人机降到某飞行高度和速度时,回收控制系统发出信号 ,使主伞开伞,先呈收紧充气状态,过了一定时间 ,主伞完全充气;无人机悬挂在主伞下慢慢着陆,机下触地开关接通,使主伞与无人机脱离。这是对降落伞回收过程最简单的描述 ,省略了中间环节和过程。为尽量减少无人机回收后的损伤,特别是为保护机载任务设备,有些无人机还在机体触地部位安装减震装置,充气袋是一种常用的减震装置 。同时还要考虑到机体着地部位要尽可能远离任务设备舱。例如 ,加拿大的CL-89,回收时,无人机上下翻转180° ,使机腹在上,机背在下,机背前后的着陆气包着地 ,吸收撞击能量,保护机腹内的任务设备。有些无人机机体着地部分被设计成较脆弱的部件,当做飞机着地的减震装置 。例如 ,英国的"不死鸟"在回收开伞后翻转180°,机腹朝上,机背向下 ,机背整流罩较脆弱,允许着地时被压扁,吸收着地撞击力,保护机腹的任务设备短舱。
2.空中回收
用有人机在空中回收无人机的方式目前只在美国使用。采用这种回收方式 ,在有人机上必须有空中回收系统,在无人机上除了有阻力伞和主伞之外,还需有钩桂伞、吊索和可旋转的脱落机构 。其简单回收过程如下地面站发出遥控指令 ,阳力伞开伞,同时使发动机停车,当无人机在阻力伞作用下降到一定高度和一定速度时 ,回收控制系统发出开主伞控制信号,打开钩挂伞和主伞,主伞先呈收紧充气状态 ,不久,就完全充气;此时钩挂伞高于主伞,钩挂伞下面的吊索保证指向主伞前进的方向 ,在吊索上安装指示方向的风向旗,使有人机便于辨认和钩住钩桂伞。这时,有人机逆风进入,钩住无人机钩挂伞与吊索 ,当无人机被钩住时,主伞自动脱离无人机,有人机用绞盘绞起无人机 ,空中悬挂运走。这种回收方式不会损伤无人机 。但是为回收无人机要出动有人机,费用高;在回收时要求有人机驾驶员有较高的驾驶技术;受天气与风情影响大,加上伞的性能无法事先估计 ,其回收的可靠性低。随着回收技术的提高,回收的可靠性将会提高。例如,美国的“火蜂”II用空中回收方式 ,在回收时,直升机钩挂高于主伞24.08m的钩挂伞。
3.起落架滑跑着陆
这种回收方式与有人机相似,不同之处是:①跑道要求不如有人机苛刻 。②有些无人机的起落架局部被设计成较脆弱的结构 ,允许着陆时撞地损坏,吸收能量。例如英国的"大鸭 ”I,这是一种机重15kg,翼展2.70m、机长2.10m的小型无人机,机身下有着陆滑橇 ,机翼有翼尖滑橇,翼尖滑橇较脆弱,回收时允许折断 ,以吸收撞击力。③为缩短着陆滑跑距离,有些无人机例如以色列的"先锋”、“猛犬” 、“侦察兵 ”等在机尾装尾钩,在着陆滑跑时 ,尾钩钩住地面拦截绳,大大缩短了着陆滑跑距离 。
4.拦阻网或“天钩”回收
拦阻网回收
用拦阻网系统回收无人机是目前世界小型无人机较普遍采用的回收方式之一。拦阻网系统通常由拦阻网、能量吸收装置和自动引导设备组成。能量吸收装置与拦阻网相连,其作用是吸收无人机撞网的能量 ,免得无人机触网后在网上弹跳不停,以致损伤 。自动引导设备一般是一部置于网后的电视摄像机,或是装在拦阻网架上的红外接收机 ,由它们及时向地面站报告无人机返航路线的偏差。
当无人机返航时、地面控制站要求无人机以小角度下滑,最大速度不得超过120km/h,操纵人员通过电视监视器监视无人机飞行,并根据地面电视摄像机拍摄的图像 ,或红外接收机接收到的无人机信号,确定返航路线的偏差,然后半自动地控制无人机 ,修正飞行路线 、使之对准地面摄像机的瞄准线,飞向拦阻网。无人机触网时的过载通常不能大于6g,以免拦阻网遭到较大损坏 。例如 ,以色列的“侦察兵”、美国的"苍鹰"等都用拦阻网回收。
"天钩"回收和拦阻网回收功能相似,回收时控制无人机飞向绳索,利用无人机翼尖的挂钩钩住绳索回收。美国的"扫描鹰"无人机便采用此种回收方式 。
5.气垫着陆
20世纪70年代出现了气垫车、气垫船 ,它们利用气垫效应离开地面或水面腾空行驶。无人机气垫着陆的工作原理是一样的。在无人机的机腹四周装上"橡胶裙边。,中间有一个带孔的气囊,发动机把空气压人气囊 ,压缩空气从囊孔喷出,在机腹下形成高压空气区——气垫,气垫能够支托无人机贴近地面,而不与地面发生猛烈撞击 。20世纪70年代中期 ,美国用澳大利亚的"金迪维克"无人机作为气垫着陆的研究机,进行气垫着陆项目试验研究,取得较大成绩。气垫着陆的最大优点是 ,无人机能在未经平整的地面 、泥地、冰雪地或水上着陆,不受地形条件限制。此外,不受无人机大小、重量限制 ,且回收率高,据说可以达到1分钟 1架次,而空中回收则是1小时1架次 。
6.垂直着陆回收
垂直着陆回收方式只需小面积回收场地 ,因不受回收区地形条件的限制而特别受到军方青睐。这种回收方式有两种类型:
垂直起降固定翼
(1)旋翼航空器垂直着陆
这种着陆方式的特点是以旋翼旋转作为获取升力的来源,操纵旋翼的旋转速度,使无人机垂直着陆。
(2)固定翼垂直着陆
此种垂直着陆方式的特点是以发动机推力直接抵消重力 。这种着陆方式又可分成两类一是在无人机上配备着陆时用的专用发动机 ,着陆时,控制机上的主发动机和专用发动机的油门 、使其在主发动机推力的垂直分力和专用发动机推力的共同作用下,减速、垂直着陆;二是在回收时成垂直姿态,在发动机推力的垂直分力作用下 ,减速、垂直着陆。
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