升(shēng)力和阻力是无人(rén)机的两个很重(chóng)要的参数,是在与空气(qì)的(de)相对运(yùn)动中(zhōng)(相对气流)产生的。升力来源(yuán)于机(jī)翼上、下表面的气压(yā)差(chà),此气压差是由气流的(de)速(sù)度(dù)导致的。但机翼上(shàng)、下表面气流(liú)的速(sù)度差的成因解(jiě)释较为复杂,下面结合空气动力特性与基本规律(连续性定理、伯努利原理)介绍升力的(de)产生。
(1)连(lián)续性定理。当流体连续不断而稳定(dìng)地流过一个(gè)粗细(xì)不等的(de)流管(guǎn)时,在管(guǎn)道粗的地方流速比较慢,在管道细的地(dì)方(fāng)流速比较快。这是由于(yú)管中(zhōng)任(rèn)何一部分(fèn)的流体(tǐ)既不能中断也不能堆积,因此在(zài)同一时间(jiān),流进任一(yī)截(jié)面的流体质量(liàng)和(hé)从另一截面流(liú)出的(de)流(liú)体质量应该相等。这就是质量(liàng)守(shǒu)恒定律(lǜ)。
在单(dān)位时间内,流过任(rèn)一截面的流体体(tǐ)积等于流(liú)体流过该截面(miàn)的速度乘以该截面的面积,而体积(jī)与流体(tǐ)密度(dù)相乘,即(jí)为单位时间内流过该截面(miàn)的流体质量。即:
m=pvA
式中 m——单位(wèi)时间内流过任一(yī)截面(miàn)的(de)流体质量
P——流体密度,kg/m³
V——流体(tǐ)速度,m/s
A——所取(qǔ)截面面积,m²。
p1v1A1=p2v2A2=常(cháng)数
这就是质量方程或连(lián)续方程。它说明通过流管各(gè)截(jié)面的质量流量必须相等。对于不可压(yā)缩流(liú)体,p1=p2=常数,上式变为
v1A1=v2A2
可知,对于不可压(yā)缩流体来说,通过(guò)流管各横(héng)截面的(de)体积流量(liàng)必须相(xiàng)等(děng)。上(shàng)式表明,流(liú)体流(liú)速(sù)的快(kuài)慢(màn)与管道截面的大小成反比,这就是“连续(xù)性定理(lǐ)”。即流管横截面(miàn)变小,平均流速(sù)将增大;反(fǎn)之(zhī),流管(guǎn)横截面变大,平均流速将变小。日常所(suǒ)见的(de)山谷里的(de)风通常比开阔平原的风(fēng)大(dà);在河床浅而(ér)窄的地段,河水(shuǐ)流得比较快,在河床深而(ér)宽的地(dì)段,河水(shuǐ)流得比较(jiào)慢,就是遵循(xún)了连续性定理。
(2)伯(bó)努利(lì)原理(lǐ)。伯努(nǔ)利原(yuán)理是研究气流特性和空气动力之所以(yǐ)产生和(hé)变化的基本原理之一。1738年,瑞士物理学(xué)家丹尼尔(ěr)·伯努(nǔ)利阐明了流体在流动中的压力(lì)与(yǔ)速度之间的(de)关系,后来科学界(jiè)称(chēng)之为伯努利原(yuán)理。即流(liú)体(tǐ)速度大的地方压力小,流速小的(de)地方压力大(dà),这(zhè)就是流(liú)速与压力之间的关系(xì),也就是伯(bó)努利(lì)原理(lǐ)的基(jī)本(běn)定(dìng)义。例如,在(zài)两张纸片中间吹气,两纸不(bú)是分开,而是(shì)相互靠拢(lǒng)。
伯努利原理是(shì)能量守恒定律在流体力学(空(kōng)气流动过程)中的推广应用。在低速流动空气(qì)中,参(cān)与转换的能(néng)量有两(liǎng)种:动能和压力能。气流一流(liú)动,就(jiù)有(yǒu)动能产生,流动速(sù)度越(yuè)大,动能越大。一定(dìng)质量(liàng)的空气,具有(yǒu)一定的压力(即静压),静压越大,压(yā)力能越大。根(gēn)据能(néng)量守恒定律,气流稳(wěn)定流过一条流(liú)管时,如(rú)果(guǒ)没有外界能量的(de)加入,也(yě)就没有能(néng)量的损(sǔn)失(shī),气流流动过程中的总能量始终(zhōng)是不变(biàn)的。即(jí):动(dòng)能+压力能=常(cháng)量。
但是流体(tǐ)动能与压力能(néng)是可以互相转换的(de),当(dāng)流(liú)速变小时,动能减小,压力能却增大,表现为压强增大。流速增大(dà)时,动(dòng)能增加啊,压力能就要减小,表现为压强(qiáng)减小。这(zhè)就是流速减小,压强升高,流(liú)速增大,压(yā)强降低的根(gēn)本(běn)原因。
应当注意,以上(shàng)定理在下(xià)述条(tiáo)件下才成(chéng)立。
1)气流是(shì)连续的、稳定的。
2)流动中的空气与(yǔ)外界没有能量交(jiāo)换。
3)气流中没有摩擦(cā),或摩擦(cā)很小,可以忽(hū)略不计。
4)空气(qì)的密度没有变(biàn)化,或(huò)变化很小,可认为不变。
(3)升力(lì)的(de)产生。综合连(lián)续性定理和(hé)伯努利原理,可总(zǒng)结出如下结论:流管(guǎn)变细的地方,流速大,压力小;反之,流(liú)管变粗的地方,流速小,压力大。根据这一结论,就可初(chū)步说明机翼上产(chǎn)生升力的原因了。
从空气动(dòng)力(lì)角度看(kàn),飞机的几何外形有机翼、机(jī)身和尾(wěi)翼(yì)[分水(shuǐ)平尾翼(简称平尾)和(hé)垂直尾翼(简(jiǎn)称立尾)]等只要部件共同(tóng)构成。飞机的升力绝大部(bù)分(fèn)是由(yóu)机(jī)翼产(chǎn)生,尾翼(yì)通常是产(chǎn)生负升(shēng)力(lì),飞机其他部(bù)分产(chǎn)生的升力很小,一(yī)般不考虑。
空气(qì)流到机翼前缘,分成上、下两股气流,分别沿机(jī)翼上(shàng)、下表面流(liú)过,在机翼后(hòu)缘重新汇合向(xiàng)后流去。机(jī)翼(yì)上表面比较凸出,流管较细,说明流速加快,压力(lì)降低。而(ér)机翼下表面,气流受(shòu)阻(zǔ)挡(dǎng)作用,流管变粗,流速减慢,压力(lì)增大(dà)。这里就引用到了(le)上述两(liǎng)个定理。于(yú)是机(jī)翼上、下表(biǎo)面(miàn)出现了压(yā)力差,垂直于相对气流方向的压力差的(de)总和就是机翼的升力。这样,重于空气(qì)的(de)飞机借助(zhù)机翼上获得的升力克(kè)服(fú)自身因地球引力形成的重力(lì),从而翱(áo)翔在蓝天上了。
机翼升力的产(chǎn)生主要靠上(shàng)表面吸力的作用,而(ér)不(bú)是靠下表面(miàn)正压力的作(zuò)用,一(yī)般机翼(yì)上(shàng)表(biǎo)面形成(chéng)的(de)吸力占总升(shēng)力的(de)60%~80%,下表面的正压形成的升(shēng)力只占总升力的20%~40%。

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