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飞机的空气动力概述（一）

把飞机看成一个刚体时，它在空间的运动，可以看作是由它的质心的平动运动和绕质心的转动运动合成。

质心的移动取决于作用在飞机上的力，绕质心的转动则取决于作用在飞机上相对于质心的力矩。在飞行中，

作用在飞机上的外力主要有空气动力、发动机推力和重力。作用在飞机上的力矩有空气动力引起的气动力矩

和由发动机推力引起的推力矩等。

飞机的空气动力是空气和飞机相对运动时产生的作用力，分为升力、阻力和侧力。飞机之所以能在空中

稳定飞行，最基本的原理是，升力克服重力，动力装置产生的推力或拉力克服向前运动的阻力。

（一）空气动力的表达式

把空气动力沿速度坐标系分解为三个分量，分别称之为阻力X、升力Y和侧向力（简称侧力）Z。习惯上，

把阻力X的正向定义为OX轴（即速度V）的负向，而升力Y和侧力Z的正向则分别与OY轴、OZ轴的正

aaa

向一致。

理论和实验分析表明：作用在飞机上的空气动力与来流的动压q和飞机机翼的特征面积S成正比，可表

示为：

式中Cx、Cy、Cz为无量纲的比例系数，分别称为阻力系数、升力系数和侧力系数，S为机翼的特征面

积。

在飞机气动外形及其几何参数、飞行速度和高度给定的情况下，研究飞机的空气动力，可简化为研究这

些空气动力系数。

（二）升力

飞机上不仅机翼会产生升力，水平尾翼和机身也会产生升力。但是，同机翼上的升力相比，飞机其他部

件产生的升力都是比较小的可近似忽略。所以，通常用机翼的升力来代表整个飞机的升力。下面以翼型为例

说明飞机升力的产生原因及变化规律。

当空气接近机翼前缘时，气流开始折转，一部分空气向上绕过机翼前缘流过机翼上表面；另一部分空气

由机翼下表面通过。这两部分空气最后在机翼后缘处会合，逐渐恢复到与机翼前方没有受扰动的气流相同的

均匀流动状态。一定的迎角时，由于翼型上表面凸起相对较多，使机翼上表面的流管面积减小，流速增大；

下表面气流受阻使流管面积增大，流速减小。由伯努利方程可知，机翼上表面的压力降低，机翼下表面的压

力增大。这样形成斜向上的压力差，从而产生了翼型表面的空气动力，将表面各处的空气动力进行综合就形

成了翼型的总空气动力R，R的方向向上并向后倾斜。可将R分解为垂直和平行于气流方向的两个分力，垂

直于气流方向上的分量就是机翼的升力，用Y表示；平行于气流方向阻碍飞机前进的力叫阻力，用X表示。

升力和阻力的作用点叫压力中心。

值得注意的是，升力Y与相对气流垂直，而不是与地面垂直。升力Y的方向取决于飞机的飞行速度方向，

也就是取决于相对流速的方向。

（三）侧力

飞机飞行时，气流不对称地流过飞机纵向对称面的两侧，这种飞行情况称为侧滑。空气动力中的侧力是

由于飞机的侧滑运动而引起的，飞机是一个扁平的面对称物体，所以侧力主要由飞机的垂尾产生。按右手直

角坐标系的规定，飞机的侧向力指向右机翼时为正；按侧滑角β的定义，侧滑角β为正时，在垂尾上会产生

负的侧力Z。

对于面对称的飞机，若把飞机机体绕纵轴转过90°，这时的侧滑角β就相当于原来迎角α的情况，垂尾

此时类似一个机翼。所以，飞机的侧向力的分析方法类同于升力的分析。因此侧力系数对侧滑角的导数等与

1

负的升力线斜率，即：Czβ=-Cyα

式中的负号是由α、β的定义所导致的。

（四）阻力

按照阻力产生的原因来分，飞机上的阻力有摩擦阻力、压差阻力（含激波阻力）、诱导阻力和干扰阻力等。

1.摩擦阻力

摩擦阻力是在附面层内产生的。由于空气是有粘性的，所以当它流过飞机时，就会有一层很薄的气流被

“粘”在飞机表面上。这是由于流动的空气受到飞机表面给它向前的阻滞力的结果。根据牛顿第三定律，作

用力与反作用力总是大小相等方向相反、同时作用在两个物体上的，因此，受阻滞的空气必然会给机翼一个

大小相等的向后的作用力，这个向后的力阻滞飞机的飞行，就是摩擦阻力。

摩擦阻力的大小同附面层内的流动情况有很大关系。层流附面层的摩擦阻力小，而紊流附面层的摩擦阻

力大。这是因为在附面层的底部，紊流附面层横向速度梯度比层流附面层大得多，飞机表面对气流的阻滞作

用大。所以为了减小摩擦阻力，飞机设计时采用层流翼型，就要设法使物体表面的流动保持层流状态。

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