[原创]飞机的升力

lxg6226

[watermark]飞机的升力
让我们先抛开飞机的升力问题吧！
a、常见的赛车大家想必都看多，赛道上的普通赛车的设计很简捷，没有什么前定风翼和后定风翼，就是一个简陋车架上安装四个轮子，一个发动机和一个驾驶座而已。只要这种赛车的速度>>140km/h时，就会飘起来。与飞机不同的是，高速行驶的汽车对于空气动力学应用的追求是完全反向的，为了“防备”车在高速行驶（>>140km/h时）中飞起来，需要通过一些空气动力学部件给车一定下压力，为车身提供抓地力。高速车也有了自己的翅膀——前定风翼和后定风翼以及其他空气动力学部件。空气动力学在车上的应用主要体现在两个方面：一是让定风翼产生的下压力为轮胎提供足够的抓地力，另一个则是尽量减少车身行驶中的空气阻力。
b、ＫＭ地效飞行器是阿列克谢耶夫设计师发明的，所谓“地效”是地面效应的简称，指飞行器在低高度飞行以及在起飞和着陆过程中地面产生出一种使飞行器机身诱导阻力减少、升阻比增加，飞行器升力显著提高的效应。地效飞行器是利用地面效应和动力增升原理实现高速掠海飞行，很像贴着地面跑的飞机。
c、摩托艇在水面上高速行驶，常常会飞起来。摩托艇的设计外形和机翼外形恰好相反！假如说机翼外形有助于升力的产生；那么则可说摩托艇的外形有助于升力的减小。可是这一切合事实不符！
由此可知，只要是汽车、摩托艇和地效飞行器高速行驶，尽管它们在没有机翼的情形下，依然可以获得一定的强大升力——足以让它们飘起来！

现在不仅要问：汽车、摩托艇和地效飞行器高速行驶为何会产生升力哪？
它们在高速行驶的时候，受到几个力的作用？
1、向下的机身重力
2、向上的机身升力
3、空气的阻力
4、发动机的推力
首先，高速行驶机身和空气团的摩擦力的大小是非线性的，和行驶的速度的一次方、二次方、三次方、四次方、...，N次方呈正比。
其次，“升力”和“速度/质量比”的关系为正比关系。
第三，“升力”和“机身面积”的关系为正比关系。也就是说，一块高速行驶的平板的升力和这块平板的的面积大小正相关。
第四，机身和空气之间的摩擦力与机身轮胎和地面之间的摩擦力的巨大差异形成的最大垂直梯度是最主要的升力！机身所处的大气密度的垂直梯度力是次要的升力；机身体积排开空气的浮力诱发的升力最弱。
第五、一块高速行驶的平板的升力和这块平板表面的光滑度正相关。
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对于稳定高速行驶中的汽车、摩托艇和地效飞行器来说，这时，向下的机身重力=向上的升力总和；空气的阻力=发动机的推力。
类似地，飞机的升力也如此。增加了机翼=增加了的面积=增加了升力=也等于增加了飞机的平衡。
飞机表面的光滑对升力影响极其明显。波音公司的试验表明，砂纸般粗糙度的机翼表面使板条机翼的最大升力降低32%，而且在振杆器发出失速报警前失速。试验表明，翼面升力对翼弦最初20%的平滑绕流很敏感，哪怕很薄的一层冰也会妨害附面层，造成阻力增加并导致早期气流分离。风洞试验表明，砂纸般粗糙度的冰霜，可以使福克28飞机最大升力降低25%，失速迎角降低6度。DC—9飞机的机翼表面污染0.4毫米厚的冰，不但可使升力损失25%，而且失速迎角降低到激发失速预警以下。

至于，飞行衣、飞碟和垂直升降飞机的垂直升力，则是因为增加了向下的喷气气流，以致比比寻常的飞机增加了新种类的升力而已。

还有最后一个极其重要的问题：这就是飞机的平衡。只有飞机能够稳定保持平衡，才能使得飞机飞行稳定得以实现飞行。所以平衡的重要性丝毫不次于飞机的升力！！！

飞机的升力，在学术界一直是众说纷纭，到今天也没有统一的看法。
我认为这主要是因为没有认识到不是飞行器的机器的高速行驶，为何也有升力？这才是问题的关键症结所在。
回答了这个问题，才算是作了基础行的解答。
假如我的说法有问题，欢迎诸位不吝赐教唯盼。

谢谢


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lxg6226

[这个贴子最后由lxg6226在 2006/06/07 08:36am 第 2 次编辑]


       旋翼飛機——直升機的升力      
    当旋翼提供浮力的同时，气流的反向作用也会令飞机与旋翼作相反方向旋转。为了保持飞机的稳定性，必须给与以相反的力矩平衡才能实现这一目的。如何给与以相反的力矩来平衡旋翼的反向作用，这是旋翼飞机必须处理的最大技术问题。
    多数做法是以小型的螺旋桨或風扇在机尾作相反方向的推动，也有新型直升机是靠在尾部吹出空气，用附壁效应产生的推力平衡，好处是大幅减少噪音，而且也可以避免尾部螺旋桨碰损的可能性，提高飞机安全性。部分大型直升机则使用向不同方向旋转的旋翼，互相抵消对机体产生的旋转力。

1、单旋翼尾桨直升机:
   一个水平旋翼负责提供飞机升力，尾部一个小型垂直螺旋桨负责抵消旋翼的反作用力
2、单旋翼无尾桨直升机:
   一个水平旋翼负责提供飞机升力，并从尾部吹出空气，用附壁效应产生的推力抵消旋翼的反作用力
3、双旋翼直升机: a、纵列式——两个旋翼前后纵向排列，旋转方向相反，多见于大型运输直升机

                 b、共轴式——两个旋翼上下排列在同一个轴上，没有尾桨，优点是稳定性好，但技术复杂，因而较为少见
4、侧旋翼直升机:
   结合了固定翼飞机和直升机两者特点的混合技术直升机。起飞时采用水平并置的双旋翼，飞行中将旋翼向前旋转90度变成两个真正的螺旋桨，按照普通固定翼飞机的模式飞行。这样做的好处是可以减小飞行阻力，提高飞行速度，最高可以超过600公里/小时，同时省油，提高航程，缺点是结构复杂，故障率高，因而极为少见。
  

    直升機的升力，導致機身的反向螺旋問題。和火箭發射-運行產生的箭身旋轉問題頗有類似之処！
    防止火箭在運行期間的旋轉——乃是火箭製造的一個關鍵技術之一。
    直升機如何克服旋轉慣性，始終是技術上的一個最大的心病。
    直升機的優點很多，可惜就是既飛不高！也飛不快！

马叉虫

"飞机的升力，在学术界一直是众说纷纭，到今天也没有统一的看法。"
不知道你这是哪里看来的?
升力,实际上就是上下表面的压力差造成的,
至于跟有没有翼型没有关系,只要上下表面存在压力差,就能产生升力.

对月

[ADMINOPE=周华|对月|威望由 1 增加至 2|加分|1150537347]你给的几个例子很好,就是几个概念不清楚.是学流体的吗?

lxg6226

    教课书关于飞机的升力上的标准说法,不赞同者比比皆是.比如,美国的量子场论教父费曼就是其中之一(详见他写的流体力学著作).
    美国制造的飞碟的升力,也不是如你所说得那样,靠什么压力差。.
    关于伯努力定理所谓的速度头、压力头、高度头。速度加大，所产生的压力差对升力的贡献很小。
    机翼除了提升升力以外更重要的作用是用来稳定飞行平衡。当飞机受到不可预测的高空激流的扰动的时候，除了飞行惯性的平衡机制以外，主要是依赖机翼来重新恢复飞行的稳定状态。周所周知的是，飞机巡航的时候其升力和重力是大小相等方向相反。这个时候保持飞机的升力的机制是什么？还有你所说的压力差吗？
    飞机能够在空气的密度很小的环境里飞行吗？空气密度大小和升力的关系如何？流体状态方程告诉我们当温度保持一定时，空气压力和空气密度在一级近似的条件下呈现正比关系；空气压力场梯度和空气密度场梯度也是呈现正比关系。
    飞机为什么会飞？你以为教科书已经做出了权威性的公认诠释？

lxg6226

其实飞机的升力问题是一个很复杂的课题。

它是上下两种不同气流团同时和飞机发生相互作用的结果——我们看到的是飞机克服了重力，冲破了阻力飞上蓝天。

junior

飞机升力的机理可能很复杂，但是归结到最后就是上下表面的压力差，马叉虫说的是对的。至于矢量推力，应该不在这个范畴以内。

wice

一楼里讨论的是“赛车如何产生升力”还是“赛车如何控制升力”呢？
两个问题并不一样。后者还要考虑赛车在产生升力后的俯仰稳定性。通常汽车的发动机前置、纵向过载小，可能不考虑这些。我想赛车的俯仰安定性可能不好，所以要“压着”。
飞机飞起来，必然是上下表面空气合力的结果，这是由牛顿定律所必然导出的。
难道还会导出其他的原因？

马叉虫

看过楼主的几个帖子,发现他应该是看过流体力学书的,但是没看懂,或是看不懂,所以自己弄了个什么流体团的概念.

lxg6226

下面引用由马叉虫在 2006/06/19 11:21am 发表的内容：
看过楼主的几个帖子,发现他应该是看过流体力学书的,但是没看懂,或是看不懂,所以自己弄了个什么流体团的概念.

你做过流体力学应用研究吗？
没有的话，最好选择读书或者沉默。
按照研究的时间尺度、空间尺度。对大气的经典研究学科依次划分是：
气象学、天气学、气候学。
对地球大气的应用研究，首先是因为提出了“流体团——即空气团”假说，才建立今天有效的天气预报学说。
流体力学——作为天气学的基础学科之一，仅仅是最基础的理论学科。处理具体的应用问题，依赖的是气象学、天气学、气候学。
空气动力学——也是基础学科之一，它并不能对飞行器的具体研究直接给出理论结果。
至于流体的粘性问题，飞行器的速度超过媒质中的声速所带来的问题，... ...==，大大地超出了已有的这些基础学科的基本假设的框架。

流体团的概念，不是我的首创。假如我有这个荣幸，那么我就会成为气象预报理论的鼻祖。

马叉虫

不要把气象学里的流体团应用于流体力学,气象学研究的是宏观现象
流体力学可以算是微观的了
小弟不才,说不上什么应用研究,只是学习流体力学6,7年而已

lxg6226

下面引用由马叉虫在 2006/06/29 08:39am 发表的内容：
不要把气象学里的流体团应用于流体力学,气象学研究的是宏观现象
流体力学可以算是微观的了
小弟不才,说不上什么应用研究,只是学习流体力学6,7年而已

本文讨论的是飞机的升力——其实是飞机这个固体和大气流体的相互作用的结果。这并不是一个单纯的纯粹流体力学问题。

你说：不要把气象学里的流体团应用于流体力学,气象学研究的是宏观现象
流体力学可以算是微观的了。可是，流体力学研究的基本方程组和气象学研究的基本方程组，难道有什么不同吗？
我还没有发现二者的基本方程组有任何差别！你的这种说法根据是什么？
知道吗？气象学研究的流体团，可以小到微分流体团。

马叉虫

那你知不知道n-s方程是怎么得来的?
就是把流体看成是流体微团,然后根据质量守恒,动量守恒和能量守恒得来的!
还有,如果说对飞机的升力还有不同的看法,那现在的飞机设计原则是不是应该改了?

lxg6226

众所周知，飞机真实设计的设计过程，除了依赖计算机模拟的风洞试验，更多的是依赖真实风洞试验。尤其是对机翼的改进设计。
旋翼末端增加的尖角，就是最好的例证。
如果从理论上简化飞机的升力模型，则有三个基本假设：固体性的飞机，以及不是处于巡航状态的飞机上下前后的四个不同形状不同性状的流体团。
升力可以被看作是这五个部分的相互作用的结果。

马叉虫

那这四个流体团的具体性质(密度,压力等等),你怎么得到?