无人机应用技术专业《(3.3)升力与阻力》.docx

飞机的升力〔视频1〕

任何航空器都必须产生大于自身重力的升力才能升空飞行，这是航空器飞行的根本原理。前面我们提到，航空器可分为轻于空气的航空器和重于空气的航空器两大类，轻于空气的航空器如气球、飞艇等，其主要局部是一个大大的气囊，中间充以比空气密度小的气体〔如热空气、氢气等〕，这样就如同我们小时候的玩具氢气球一样，可以依靠空气的静浮力升上空中。

然而，对于重于空气的航空器如飞机，又是靠什么力量飞上天空的呢？

相信大家小时候都玩过风筝或是竹蜻蜓，这两种小小的玩意构造十分简单，但却蕴含着深刻的飞行原理。飞机的机翼包括固定翼和旋翼两种，风筝的升空原理与滑翔机有一些类似，都是靠迎面气流吹动而产生向上的升力，但与固定翼的飞机有一定的差异；而旋翼机与竹蜻蜓却有着异曲同工之妙，都是靠旋翼旋转产生向上的升力。

那么机翼是怎样产生升力的呢？

让我们先来做一个小小的试验：手持一张白纸的一端，由于重力的作用，白纸的另一端会自然垂下，现在我们将白纸拿到嘴前，沿着水平方向吹气，看看会发生什么样的情况。哈，白纸不但没有被吹开，垂下的一端反而飘了起来，这是什么原因呢？伯努利定律告诉我们，流动慢的大气压强较大，而流动快的大气压强较小，白纸上面的空气被吹动，流动较快，压强比白纸下面不动的空气小，因此将白纸托了起来。这一根本原理在足球运动中也得到了表达。大家可能都听说过足球比赛中的“香蕉球〞，在发角球时，脚法好的队员可以使足球绕过球门框和守门员，直接飞入球门，这股使足球偏转的神秘力量也来自于空气的压力差，由于足球在踢出后向前飞行的同时还绕自身的轴线旋转，因此在足球的两个侧面相对于空气的运动速度不同，所受到的空气的压力也不同，是空气的压力差改变了足球的运动轨迹。

对于固定翼的飞机，当它在空气中以一定的速度飞行时，根据相对运动的原理，机翼相对于空气的运动可以看作是机翼不动，而空气气流以一定的速度流过机翼。由于机翼一般是不对称的，上外表比拟凸，而下外表比拟平，流过机翼上外表的气流流速较快，而流过机翼下外表的气流正好相反。根据流体力学的根本原理，流动慢的大气压强较大，而流动快的大气压强较小，这样机翼下外表的压强就比上外表的压强高，换一句话说，就是大气施加与机翼下外表的压力方向向上比施加于机翼上外表的压力方向向下大，二者的压力差便形成了飞机的升力。

当飞机的机翼为对称形状，气流沿着机翼对称轴流动时，由于机翼两个外表的形状一样，因而气流速度一样，所产生的压力也一样，此时机翼不产生升力。但是当对称机翼以一定的倾斜角〔称为攻角或迎角〕在空气中运动时，就会出现与非对称机翼类似的流动现象，使得上下外表的压力不一致，从而也会产生升力。

飞机的阻力〔视频2〕

提前所述，飞机在平飞的过程中,机体上所受的力是平衡的。飞机的重力与飞机产生的升力平衡，而飞机的发动机的作用那么是克服飞机所受的阻力，推动飞机前进，使得飞机相对于空气运动，从而产生升力。大家肯定要想，飞机发动机的功率那么大，难道飞机上所受的阻力有那么大吗？确实，飞机在高速飞行的同时，会因为不同原因受到非常大的阻力。从产生阻力的不同原因来说，航模飞机所受的阻力可以分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、干扰阻力等。

1、摩擦阻力

当两个物体相互滑动的时候，在两个物体上就会产生与运动方向相反的力，阻止两个物体的运动，这就是物体之间的摩擦阻力。当飞机在空气中飞行时，飞机也会受到空气的摩擦阻力，飞机的摩擦阻力是因为空气的粘性造成的。当气流流过物体时，由于粘性，空气微团与物体外表发生摩擦，阻滞了气流的流动，这就是物体对空气的摩擦阻力，反之，空气对物体也给予了摩擦阻力。摩擦阻力是在边界层中产生的。所谓边界层就是紧贴物体外表，流速由外部流体的自由流速逐渐降低到零的那一层薄薄的空气层。边界层中气流的流动情况是不同的。一般机翼大约在最大厚度之前，边界层的气流各层不相混杂而成层地流动，这局部叫做“层流边界层〞。在这之后，气流的活动转变为杂乱无章，并且出现了漩涡和横向流动，这局部叫做“紊流边界层〞。从“层流边界层〞转变为?“紊流边界层〞的那一点叫做“转捩点〞。

边界层中的摩擦阻力大小与流动情况有很大关系，从大量的实践证明，对于层流流动，物体外表受到的摩擦阻力小，而紊流流动对物面的摩擦阻力大的多。在普通的机翼外表，既有层流边界层，又有紊流边界层，所以为了减小摩擦阻力，人们就千方百计地使物体外表的流动保持层流状态，例如通过在机翼外表上钻孔，吸除紊流边界层，这样就可以到达减阻的目的。另外，提高加工精度，使层流边界层尽量的长，延缓转捩点的出现，甚至抑制它的出现，也可以起到很好的效果。这些都是飞机设计中的层流机翼的概念。物体外表受到的摩擦阻力还跟物体的外表积有关系，面积越大，阻力也越大。因此在人们试图减小飞行阻力的时候，减小飞机的尾翼或者机翼的面积也是一个有效的方法。当然