书城科普读物科学我知道-Why航天
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第3章 飞机是怎样飞起来的?

飞机的体重是很大的,因为机身和发动机等都是用金属做的,飞机的机舱还要载货和乘人。这么重的飞机,它到底是怎样飞向蓝天的呢?

为了更好地了解飞机升空的秘密,得先了解物体。

飞机以某种速度在静止的空气中前进,和气体流动而物体不动有什么区别,以及在这两种情况下,同一物体所受的力有所不同。相对运动原理告诉我们,不管是物体静止、空气流动,还是空气静止、物体运动,只要空气和物体的相对速度相同,则物体和气体之间的相互作用力是完全一样的。如飞机以60米/秒的速度在静止空气中前进,我们坐在飞机机舱里,所看到的飞机是不动的,而空气却是从远前方以60米/秒的速度向飞机流来。因此,飞机的外形就决定了气流的流线怎样弯法以及沿流线流速怎样变化,从而决定静压的变化。

其中紧挨着机翼外表面的那些流线的变化,便决定了作用在机翼上的空气静压。

低速飞机的机翼,不管它的平面形状如何,从顺着气流的方向竖切一刀的话,其剖面形状是:圆头、尖尾、弓背。由于机翼的存在,气流被迫分成两路绕机翼而过,由于机翼上、下翼面的形状不同,则绕流的气流也将有不同的变化。

要计算整个机翼上所受的气动力,只要计算较远前方未扰气流的静压高出或低下的那部分差值就行了。因为一个均匀的静压,不论它是大还是小,它对于一个整物体四周所产生的作用力是完全抵消了的。凡比远前方静压低的压强所产生的压力叫做负压力或叫吸力,比远前方静压高的,叫做正压力或简称压力。

沿上翼面流动的气流,过了前缘不远,直到后缘为止,流速大于远前方的原有速度,因此作用在上翼面的压强必然是负压强,有效的气动力是吸力。吸力可以看作是一个向上提升的力。

沿着下表面走的气流,在前线附近某一点流速降到零,这一点叫做驻点。过此点之后,流速逐渐回升,到后缘流速还是没有超过远前方原来的流速,只是差不多恢复到远前方原来的流速。根据伯努利定律可知,作用在机翼下表面的气流压强都较远前方原来的静压强为高,以驻点处的正压强为最大,往后逐渐下降,到后缘处大致降到和远前方原来的一样。整个下翼面受的是一个正压力,是一个向上托的力。

上翼面的吸力和下翼面的压力合成一个总的气动力,这就是作用在机翼上的有效气动力。

翼面上受到的压力都是和各部分翼表面相垂直的。由于翼剖面的形状相当扁平,而且飞行时整个机翼和迎面风之间的倾角也不大,所以这个有效气动合力的指向几乎是垂直平远前方来流的方向的,但计算时,这个有效的气动合力可以分解为两个力,一个是向上并垂直于远前方的气流即飞行方向的力,另一个则是平行于来流方向的力。前者叫做举力,后者是阻止飞机往前飞的,成为阻力的一部分。

当飞机平飞时,远前方流来的气流是水平的,飞机的重量是竖直向下,而举力是竖直向上,当举力不小于飞机的重量时,就托住飞机,使飞机保持在空中不掉下来。这时,这个举力和有效气动合力差不多相等,也可以说有效气动合力基本上就是举力。