飞机

空气动力学

飞机在水平直线非加速飞行时，有四个力作用在它上面。(在转弯、跳水或爬升飞行时，会有额外的力量发挥作用。)这些力是电梯，向上作用的力;拖，阻力的一个缓速力，以提升和摩擦飞机在空中飞行的;重量，向下的影响重力在飞机上;而且推力即由推进系统提供的前向作用力(或者，在无动力飞机的情况下，通过重力将高度转换为速度)。阻力和重量是元素固有的任何物体，包括飞机。升力和推力是人为创造的元素，目的是使飞机能够飞行。

理解升降机首先需要理解升降机翼型这是一种结构，其设计目的是在其运动时从空气中获得其表面的反应。早期的翼型通常只有一个略微弯曲的上表面和一个平坦的下表面。多年来，机翼已经适应不断变化的需求。到20世纪20年代，翼型通常有一个圆形的上表面，最大的高度达到弦的前三分之一(宽度)。随着时间的推移，上下表面都有或多或少的弯曲程度，翼型最厚的部分逐渐向后移动。随着空速的增长，要求空气在表面上有一个非常平滑的通道，这在层流翼型中得到了实现，在层流翼型中，弧度向后比当代实践决定。超音速飞机要求翼型的形状发生更大的变化，有些飞机失去了以前与机翼相关的圆形，变成了双楔形。

通过在空中向前移动，机翼的翼型从经过其表面的空气中获得对飞行有用的反应。(在飞行中，机翼的翼型通常产生最大的升力，但螺旋桨、尾翼表面和机身也起到翼型的作用，产生不同数量的升力。)18世纪的瑞士数学家丹尼尔·伯努利发现，如果空气的速度增加超过翼型的某一点，空气的压力就会降低。流动在机翼翼型弯曲的顶部表面的空气比流动在底部表面的空气移动得更快，从而减少了顶部的压力。来自下方的较高压力将机翼推向压力较低的区域。同时，沿着机翼下方流动的空气向下偏转，提供了牛顿定律的等量反作用力，并增加了总升力。

翼型产生的升力也受其“攻角”的影响。,它的角相对于风。举升力和迎角都可以立即，如果粗略地，通过将一个人的手伸出移动的窗户来演示汽车．当手掌向风平动时，会感受到很大的阻力，而产生的“升力”很少，因为手掌后面有一个湍流区。的升阻比低。当手与风平行时，阻力要小得多温和的产生了大量的升力，湍流变得平滑，并且有一个更好的升力与阻力的比例。然而，如果手稍微转动，使它的前边缘提高到一个更大的迎角，产生的升力就会增加。升阻比的有利增加会使手有“飞”起来的趋势。速度越大，升力和阻力就越大。因此，总升力与翼型的形状、攻角和机翼通过空气的速度有关。

重量是一种与升力作用相反的力。因此，设计师试图使飞机尽可能轻。因为所有的飞机设计都有增加重量的趋势在发展过程中，现代航空航天工程从设计之初，员工就有专业的重量控制专家。此外，飞行员必须在数量和位置上控制飞机允许携带的总重量(乘客、燃料和货物)。重量的分布(即控制重心在空气动力学上，飞机的重量和所承载的重量一样重要。

推力，向前作用的力，与阻力相对，就像升力与重量相对一样。推力是通过将周围空气的质量加速到大于飞机速度的速度来获得的;等量相反的反作用力是让飞机向前移动。在往复或涡轮螺旋桨飞机在动力飞机上，推力来源于螺旋桨旋转产生的推进力，剩余推力由排气提供。在一个喷气发动机，推力来自涡轮压缩空气的旋转叶片的推进力，然后由发动机进行膨胀燃烧从发动机中排出的燃料。在火箭驱动的飞机中，推力来自于火箭推进剂燃烧的相同和相反的反应。在滑翔机中，通过机械、地形或热技术通过重力转化为速度。

与推力持续相反的是阻力，它有两个要素。寄生阻力是由形状阻力(由于形状)、表面摩擦、干扰和所有其他不促进升力的因素引起的;诱导阻力是由于升力的产生而产生的。

寄生阻力随着空速的增加而增加。对于大多数飞行来说，希望将所有阻力降至最低，为此，相当多的注意力被用于简化飞机的形式，尽可能消除引起阻力的结构(例如，用雨棚包围驾驶舱，收起起落架，使用平直铆钉，以及油漆和抛光表面)。一些不太明显的拖动元素包括相对元素性格以及机身、机翼、发动机和尾翼表面的面积;翼面与尾面相交;空气通过结构的无意泄漏;利用多余的空气进行冷却;使用单独的形状会导致局部气流分离。

诱导阻力是由向下偏转的空气元素引起的，它不是垂直于飞行路径，而是略微向后倾斜。随着迎角的增加，阻力也会增加;在一个临界点时，迎角会变得非常大，导致气流在机翼上表面被破坏，升力损失，阻力增加。这个临界条件被称为摊位．

升力、阻力和失速都受到机翼平面形状的不同影响。一个椭圆机翼就像用在海上飞机喷火式战斗机战斗机的二战期间例如，在亚音速飞机中，虽然理想的空气动力学，但比简单的矩形机翼有更不可取的失速模式。

空气动力学超音速飞行是复杂的。空气是可压缩的，随着速度和高度的增加，在飞机上流动的空气的速度开始超过飞机在空气中的速度。这种压缩性影响飞机的速度表示为飞机的速度与加速度的比率声速，称为马赫数，以纪念这位奥地利物理学家恩斯特马赫．飞机的临界马赫数被定义为在飞机的某一点上气流达到声速。

在马赫数超过临界马赫数时(即气流在临界马赫数时的速度)超过(机身上局部点的声速)，由于冲击波的形成，作用在机翼和机身上的力、压力和力矩都发生了显著的变化。最重要的影响之一是阻力的大幅增加以及升力的减少。最初，为了达到更高的临界马赫数，设计师们在设计飞机时采用了非常薄的机翼和水平表面，并确保机身的细度比(长度与直径)尽可能高。在1940-45年的典型飞机上，机翼厚度比(机翼厚度除以宽度)约为14%至18%;在后来的飞机中，这一比例降至5%以下。这些技术延缓了局部气流达到1.0马赫的速度，使得飞机的临界马赫数略高。独立研究在德国和美国表明达到临界马赫是可能的延迟进一步将翅膀向后扫。翼掠对德国二战梅塞施米特Me 262战斗机的发展极其重要，这是第一种可操作的喷气式战斗机，以及战后的战斗机，如北美战斗机f - 86 Sabre和苏联MiG-15．这些战斗机以高亚音速飞行，但发展的竞争压力要求飞机能够以跨音速和超音速飞行。带有加力燃烧室的喷气发动机的动力使这些速度在技术上成为可能，但跨音速区域阻力的巨大增加仍然阻碍了设计师的发展。解决方案包括增加机身机翼前后的体积，减少机翼和尾翼附近的体积，以创造一个更接近限制跨音速阻力的理想区域的横截面积。这一规则的早期应用导致了“黄蜂腰”外观，如康维尔F-102。在后来的喷气式飞机中，这一规则的应用在飞机的平面上并不明显。