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飞行原理探密之迎角的奥密

飞行原理探密之迎角的奥密

在介绍飞机或直升机原理时一般的文章中都重在强调机翼的(截面)形状,这种上凸下平、前厚后薄的楔子状的机翼有利于升力的产生,原理我就不多说了,网上有的是,地球人都知道。我分析,这种形状的机翼主要是诱导气流按要求流动,能产生一定的升力,但支持飞机飞行的升力如果仅靠这点机翼形状产生的力是远远不够的,还要这个形状机翼在飞行中的状态,也就是迎角的作用。

不论是研究飞机还是直升机,我们在研究飞行时都要用到两个最主要的定律,一个是伯努利原理,一个是牛顿第三定律。伯努利原理是指运动或者流动的速度增加会导致流体压力的降低(丹尼尔•伯努利在1726年首先提出时的内容就是:在水流或气流里,如果速度小,压力就大,如果速度大,压力就小。 ),上凸下平、前厚后薄的楔子状的机翼的升力产生的原理正是用它来诠释。但这个原理是指流体在运动,流体物质本身就具有的相对的动能,而我们的飞机飞行是机翼在运动,空气是静止的(无风情况下),空气分子是“被迫”运动,空气在机翼上下面相对的“被”流动。所以我们不能完全照搬照抄伯努利原理,在分析飞机飞行的时候要有自己的头脑。我们看飞机在做特技表演时,有时会倒着飞,如果伯努利原理产生的升力太强的话,就很难保持倒着平飞了,会一头扎向地面。可结果不是这样,会在尾翼、各种舵的控制下保持飞行状态。

飞行原理探密之迎角的奥密

飞机等一大批科技是外国发明的,如果我们做死书呆子,没有批判地继承,那就会失去对未来的创新,只能是跟着走的小兄弟。我们感恩于规范的教育,使我们走捷径快速掌握知识,但又受限于规范的教育,因为它定势固化了我们的思维,成了我们前进路上的绊脚石创新思维的枷锁。对于伯努利的原理,我们不要有太多的迷信,要有自己的思维。其实,我们对泊来品的迷信太多,比如喷气发动机,将来没有油的那一天,怎么办?

牛顿第三定律是指无论何时一个物体对另一个物体施加力量,那么另一个物体也对这个物体施加力量,这个力的大小是相等的,而方向是相反的力,也就是作用力与反作用力,这在分析迎角时用得上。而我在分析飞行原理时还重点强调大气压力的作用。

飞行原理探密之迎角的奥密

我们可以看飞机的飞行,当在跑道上滑跑速度达到一定程度时,飞行员便操控飞机前轮抬起,这时机翼以一定的迎角进行滑跑,很快就会离地起飞,大大节省滑跑距离。我们还可以看看直升机的起飞,当要起飞时,驾驶员要调节桨距,使旋翼以一定的迎角旋转,这才能起飞。如果没有迎角,无论你怎么强调它的截面会产生升力,平直的旋翼转得再快直升机也很难垂直飞起来。

那么,什么是迎角,说起来简单也复杂。网上有这样说的,“对于固定翼飞机,机翼的前进方向(相当于气流的方向)和翼弦(与机身轴线不同)的夹角叫迎角,也称为攻角”,我认为这有点失误,就是迎角和攻角是两个不同的概念,当然有时它们的效果是差不多的。大家可以看《飞行员航空知识手册》上的详细介绍。我们业余人士在研究时不用那么复杂,严格区分什么是迎角,什么是攻角,可以把它们简化理解成机翼前头(厚的部分)前进时扬起来的角度。

那这个神秘的迎角为什么会产生如此强大的力呢?从伯努利原理看,机翼的以一定迎角扬起时,前后距离变短,而气流经过机翼上表面的长度不变,这样机翼上面的气流流速就得加快,会产生很大的吸力,升力大增。而从牛顿的第三定律上看,气流快速冲击机翼下面,在分力上产生了个向下的反作用力,于是升力大增,从飞机的老祖宗---风筝,或正在起飞时的直升机呼呼向下吹人欲倒的风中我们能感受到反作用力的存在。

但仅从这两方面来分析还是不够的,我们可以从机(旋)翼截面的上下空气密度和压力上再分析分析。当迎角是零或很小时,机翼下的气压与周围大气压差不多,而机翼上面空气受机翼前缘凸起的上斥力作用密度较低,形成了一个比周围大气压低的较小的低压区,机翼上下面在大气压力的作用下形成了一个向上的升力,这个升力远远低于周围大气压力的。

飞行原理探密之迎角的奥密

当机翼以一定的迎角(如最大的临界迎角)飞行时,这时机翼的下面向下排出空气,空气压缩,密度大增,远远大于周围大气压(极端理想状态为近2倍周围空气压力),形成一个强大的高压区;而此时机翼上面的低压区厚度比机翼厚度更大,空气密度更小,比周围大气压更低(极端想法是更接近“真空”),这机翼上下面大气压强的合力可能或轻松超过周围的大气压力。这样,在迎角状态下,几种力合在一起,从而产生另人吃惊的可怕的升力。

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关于迎角那巨大的力我们可以从米-26C-130上可以做出比较。同为载重20吨左右的直升机米-26和飞机C-130,我们从它们的翼面数据分析一下迎角的力。米-26旋翼直径32米,共8片桨叶,虽然我暂时没有查到这8片桨叶的总面积,但可以估计一下。每片旋翼长不超过16米,宽按半米算,那它的总面积不过五六十平米。而C-130的机翼展40米左右,机翼面积达160平方米左右,这远远高于直升机的翼面积。可它们的载重却差不多,这说明什么?那就是迎角的作用。直升机始终工作在较大迎角状态下,并且速度也较快,所以产生的升力会很大的。这个迎角原理对我们的启示那就是用于飞机的垂直起降,这将是飞行器进行垂直起降的较好之路。

本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

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