飞机低速飞行时会遇到哪些阻力

尼克船长 29

升阻比是飞机飞行参数中的一个重要部分,更多时候表现在飞机出于某一种飞行状态后其自身性能的体现,对于战斗机而言更是其设计方面的一个重要的展示,那现在我们就了解一下什么是飞机的升阻比及其意义和作用。

什么是升阻比

在空气动力学中,升阻比(L/D)是指飞行器在一定迎角下升力与阻力的比值。一般情况下升阻比可以表达为为升力系数及阻力系数之间的比值,两个系数是采用同一参考面积而得出的无纲量,因此即使是作为同一飞机而言,在同一气流速度和仰角的情况下,它的升阻比是随飞机速度改变而变化的。

升阻比和战机的哪些因素有关系

影响一架飞机升力和阻力的因素有很多,不仅有飞机的当下所处的迎角、飞行速度有关,还与当下的所处的飞行高度、空气密度、以及飞机自身的气动布局和表面材料摩擦系数、湿面积等有关。

首先是迎角对升阻比的影响,迎角是固定翼飞机机翼弦线和气流速度的夹角,或者说是机翼弦线和飞机速度矢量方向的夹角,通常也称为攻角,它是确定机翼在气流中姿态的基准。由于飞机的飞行姿态不同,形成的迎角也就不一样,我们都知道飞机在某一飞行状态时单纯改变迎角会出现临界迎角,此时附着在机翼上表面上的发生气流部分分离现象,因此在临界迎角附近飞机会产生抖动,一般机械传动的老飞机飞行员感受明显,在小于临界迎角的时候,飞机增大迎角,升力就增大;超过临界边角后,再增大迎角,升力反而减小,迎角增大时候,飞机机翼上表面空气流管变细,压强减小,下表面相反压强增加,随之升力增加,但是与此同时,机翼的后缘产生涡流,但是对升力影响不大,但当迎角超过临界角之后,机翼后缘涡流前移,反而使得飞机机翼上表面空气流管变粗,超过临界迎角以后,迎角再增大,升力反而迅速减小,飞机的飞行阻力剧增,由于飞机的飞行阻力主要可分为诱导阻力和寄生阻力二种,诱导阻力是指当立体的机翼产生升力时同时衍生的阻力,也就是产生升力所必须付出的阻力,两者相伴而生,如影随形;诱导阻力的大小与机翼的升力和展弦比(机翼翼展和平均几何弦之比)有很大关系。一般说来,展弦比越大,升力越大,诱导阻力越小,升阻比越大。而寄生阻力则与诱导阻力大不相同,寄生阻力又称废阻力,包括:摩擦阻力、压差阻力和干扰阻力,摩擦阻力,或称表面阻力,是当物体在流体中(这里指在空气中)向前运动时,物体周边流体沿着物体表面轮廓向物体运动方向相反的方向流动时所产生的一种阻力。由于流体本身具有粘滞性,当流体流经物体时,会产生流体分子在物体表面的浸润与粘着,使靠近物体表面与流体微粒相互作用而发生摩擦阻力,摩擦阻力对飞机等高速运动的物体关系很大(往往要占总阻力的40%以上),而飞机表面粗糙程度和湿面积决定了摩擦阻力大小,飞机表面越粗糙,湿面积越大,摩擦阻力越大,因此保持好飞机表面光滑,就能减小飞机阻力。高速飞行的物体,气体在前面聚集,使前部压强增大,而尾部由于气体不能迅速返回,气体密度减小,压强同时减小。这样,前部的高压与尾部的低压共同作用,产生与前进方向相反的阻力。所以说飞机摩擦阻力和压差阻力主要是由空气的粘性造成,只能尽可能减小,不能回避;干扰阻力主要是由于飞机的外形产生的,在低速小迎角的状态下,阻力主要是摩擦阻力,随着迎角增大,飞机升力提升,诱导阻力成为主要阻力,飞机的升阻比增加,而当飞机机翼超过临界迎角后,飞机升力减小,诱导阻力减小,压差阻力又迅速增加,飞机的升阻比迅速下降,这就是飞机在低速状态下的阻力随着仰角的变化规律。

其次飞行速度对升阻比的影响也十分重要,飞行试验表明飞机的升力、阻力与飞行速度的平方成正比例, 在飞机保持同一飞行姿态的情况下,无论飞机速度大小,飞机周围的特别是机翼周围的空气流管形状基本是不变的,随着速度改变的是机翼上下表面的压力差,速度越大,压差越大,进而升力和阻力也同时增大。在飞机低速飞行时,飞机需要保持一定升力,因此需要调整姿态来获得大迎角,这样就会产生阻力,速度越低,迎角越大,阻力越大,这样升阻比就越小,而在飞机高速飞行,特别是战斗机进行高速巡航飞行时候,产生阻力以寄生阻力为主,这时飞机若拥有整洁的外形,良好的气动布局,都可以减少寄生阻力,因此在战斗机的设计中,会把飞机的巡航速度放在最大升阻比的范围内。

此外就飞机自身的设计因素,从经验公式来看,在一定条件下,机翼的展弦比越大,那么该飞机的升阻比的最大值也就越大,实验表明,椭园形机翼诱导阻力最小,而矩形机翼和菱形机翼诱导阻力最大,展弦比越大,诱导阻力越小;就机翼切面形状来说,相对厚度大,机翼的升力和阻力也大,这是因为,相对厚度大,机翼上表面的弯曲程度也大,一方面使空气流过机翼上表面流速增快得多,压力也降低得多,升力大,另一方面最低压力点的压力小,分离点靠前,涡流区变大,压差阻力大。实验表明,相对厚度在5%-12%的翼型,其升力比较大,相对厚度若超过14%,不仅阻力过大,而且升力会因上表面涡流区的扩大而减小。此外最大厚度相对机翼切面位置,对升阻力也影响很大,最大厚度位置靠前,机翼前缘弯曲度很大,导致流管在前缘变细,流速加快,吸力增大,升力较大,但因增大迎角后后缘分离涡流区扩大,阻力也较大;最大厚度位置靠近翼弦中央,升力较小,但其阻力也较小。由于最大厚度位置靠后,最低压力点,转捩点均向后移,层流附面层加长,紊流附面层减短,使摩擦阻力减小,所以阻力较小。

三、各类战机升阻比的表现

对一般的飞机而言,低速和亚音速飞机可达17~18,跨音速飞机可达10~12,马赫数为2的超声速飞机约为4~8,在一、二代战机中,特别是二代机设计重点在于超音速设计上,已经采取很多措施来获得较好的超音速升阻比性能,例如减小机体面积,采用面积率的蜂腰设计,增加表面的光滑度,机翼下方加装翼刀,加装整流罩等等措施。在第三代战机中,有在提升升力系数方面采用了大边条和翼身融合设计,如F-18,全动垂平尾、鸭翼等措施,还有放宽战机纵向的静稳定度,加上主控技术和大推力发动机,这一点在F-15上有体现,而侧卫家族呢,从优化气动布局比如窄边条上追求升阻比的提升,欧洲的阵风和中国的歼10 ,主打的用鸭翼配合大后掠小展弦比的主翼(三角翼)的鸭布局来提升升力,来弥补三角翼由于展弦比较小产生的诱导阻力较大,发动机推力不足的缺点,获得好的升阻比,总之三代机的特点是追求更强的机动性能以及跨音速的稳定性,在这个理念上来改善升阻比。到了四代机的时候,超音速巡航、超机动性、隐身性能,摆在了面前,超音速巡航时候速度至少在1.4马赫以上 ,并且能够长时间进行飞行,不开加力,不费油,由于在超音速阶段随着速度增长,升阻比是下降的,所以在设计方面要尽可能降低所有影响升阻比的因素,比如外形的减阻设计,采用翼身融合升力体布局,表面涂层的处理和变弯度机翼等等技术,外形尽可能干净利落,飞机的巡航速度与机身的隐身设计同时考虑。

总之,战机的升阻比是一种综合考虑的参数,它涉及到战机的各方面,战斗机设计的任何改动都可能会影响着它,同一飞行条件状态下的不同战斗机做同样机动动作,升阻比高的就会占更大的优势,随着新的气动设计、新材料、新工艺的不断出现,满足不同飞行状态需要的具有高效升阻比飞行器会如雨后春笋一样,层出不穷。

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