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飞行的梦想,从升力开始

飞机之所以能飞,是因为它受到了空气动力的作用,而升力便是空气动力的一个向上的分力。飞行的梦想,便从升力开始。

飞机飞行时,有些气流经过机翼上部,有些要经过下部。机翼的上缘弧度比下缘弧度要大,即气流经过上缘的路程比下缘要长。这样一来,机翼上部气流流速较快,压力较小;下部气流流速较慢,压力较大。正是由于这种上下的压力差,升力和空气动力便产生了。所以飞机起飞前所做的高速滑跑就是为了加快机翼表面的气流流速,以提供压力差。飞机起飞时,大多是逆风起飞,这样与气流的相对速度会增大,升力也会增大。而如果顺风起飞的话,风的气流会与滑行时所产生的气流相抵消,飞机一起飞便会失去升力,从而进入失速状态。

失速是航空器的一种极其危险的状态。失速并不是指飞机失去速度,而是指升力小于飞机重力时产生急速下降的情况。飞机飞行时,机翼与气流会形成一个夹角,称为攻角(又称迎角)。飞机当前攻角大于临界攻角(一般为18~20度)时,高速气流就不再稳定,逐渐与机翼相分离,升力也就逐渐消失。飞机在高空失去升力后,速度下降,高度也会因自重而下降,此时如果能冷静地控制住飞机,飞机则会在坠落时重新获得与气流的相对速度,从而恢复平飞。这种摆脱失速状态的行为,称为改出。战斗机在某些情况下失速后会以螺旋形轨迹坠向地面,又称尾旋。只有在两机翼于不同时间失速后,才会进入尾旋。飞机失速进入尾旋时,迎角为20~75度,且不断做滚转和俯仰运动。在尾旋状态下,飞机的旋转半径仅为10米左右。尾旋状态下飞机的坠落速度极快,通常只要几秒钟就能坠落几千米。在这种情况下改出就变得极为困难。

上述的失速情况为大迎角失速。第二种失速情况为飞机当前速度大于速度上限,翼面气流流速已无法提供升力。减小飞机迎角后,可重新获得升力,继续保持平飞。

军用飞机失速导致的事故很常见。但是,现在的战机随着性能的提升,改出失速也较为容易。人们已研究出多种过失速机动,在航展上也专门有改出尾旋的表演。即使有这些改出的方法,我们也不能忽略这个安全隐患。关于升力,有一个较为简单的公式,即:Y=1/2ρCSv∧2其中ρ为大气密度,符号为千克每立方米;C为升力系数,由机翼结构决定;S为翼面积,符号为平方米;V为相对速度,符号为米每秒。关于它有一个通俗易懂的推导:气体分子撞击侧壁时,具有一定的动能,这称为动压。根据动能定理,气体分子的动能应为质量乘以速度的平方再除以二,而空气为流体,不考虑体积,所以用密度ρ来表示。这样一来,动压便计算了出来,在乘以翼面积,便是压力差。此种解释并不是真正的升力推导过程,不过却可以清楚得解释升力产生的原因。要想真正地解释升力,还要涉及流体力学的大量计算。

在拥有动力的同时,还伴随着阻力的产生。航空器受到的阻力大致可以分为五种。第一是摩擦阻力,气流流经机翼时,会与机翼发生摩擦;第二是压差阻力,气流从物体上下表面流过时,习惯在尾部汇合。而如果没有汇合,尾部便会形成一片类似真空的区域,此时的阻力会非常的大,而如果采用流线型设计,压差阻力便会非常的小;第三是诱导阻力,机翼产生升力时,在尾部会形成一个涡流,诱导阻力由此产生。此外还有干扰阻力,飞机飞行时,机身上的其他部件也会或多或少地产生阻力,这便是干扰阻力。最后是激波阻力,飞机在超音速飞行时,会与空气剧烈摩擦,产生热量,导致机械能损失,这又称波阻。

新锐通航

现代的战斗机大多可以进行超音速飞行。飞机的飞行速度一般用马赫数来衡量。马赫是飞行速度和当时飞行的声速的比值,符号为M。一马赫约为340米每秒,1225千米每小时。M小于1时为亚声速,M小于0.3时为不可压缩流,即流体密度不随压力的变化而变化。M大于0.8小于1.2时为跨声速,大于1.2小于5时为超声速,M大于5时为超高声速。超高声速只有在接近大气层时才能达到。飞机在超音速飞行时,要先突破音障,它是指飞机接近音速时出现激波以及局部超音速区,阻力增大,易出现激波失速。具有后掠翼或大推力发动机的飞机可轻而易举地突破音障。突破音障时产生的锥形气团(音锥)称为音爆。高速飞行的另一大障碍是“热障”。战斗机超音速飞行时可产生100~300℃的高温,能严重烧毁飞机表面的蒙皮或内部的电子元器件。若想突破热障,则需升级冷却系统或将蒙皮改为钢材或钛合金以及其它的一些复合材料。航天飞机和火箭一般采用烧蚀材料。材料汽化后可吸收表面大量的热量。

军用飞机还要承受一定的过载。飞机上的空气动力和发动机推力的合力与飞机重力之比称为过载,符号为g。可承受的过载越大,飞机受力越大,机动性也越出色。如果过载过大,飞机往往要承受几倍于自身重力的力,对飞行员的血液供应有着极大影响。飞行员承受正过载时,机翼升力大于重力,g大于1,血液自身体上部流向下部。这时飞行员脑供血不足,易出现黑视,即眼前漆黑一片,暂时失明,若马上摆脱这种状态,视力就会逐渐恢复。飞行员承受负过载时,升力小于重力,此时飞机处于俯冲、倒飞或改出状态,血液从下至上。飞行员所能承受的最大过载为7~10g。

由此看来,要想安稳地飞行,还不是那么容易的。




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