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飞机空气动力学

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压力中心也相对提高,安定性也提高,所以有很多实机的初级练习机也是低翼机,至于为什么有些教练机要采用低翼而不用较稳定的高翼则是因为起落架,高翼机的机翼离地太高起落架只能装在机身上,两个轮子的宽度就很窄,降落时一个不小心翼端就擦到地面,低翼机起落架分别装在机翼两边,这样就够宽了,低翼机加装水脚变成水上飞机时,因重心降低也有助于稳定。中翼机压力中心与重心几乎重合,飞机由正飞转倒飞或由倒飞转正飞感觉都一样,所以很多特技机采用中翼设计,但中翼设计采用最多的不是特技机,而是竞速机及高级滑翔机,原因不是为了安定性,反而是为了减少寄生阻力,主翼与机身接合处有严重的寄生阻力必须予以整型,由﹝图 8-2﹞可以看出,中翼机所需要的代价最少,不过中翼机主翼与机身接合处是一个结构弱点,滑翔机机翼比较长,采用左右插梢方式不会破坏机身完整性,特技机因为要作激烈动作无法采用插梢方式,机身开口处结构要特别加强。

第三节纵轴平衡

飞机重心的前后位置同样影响飞机的安定性,飞机的安定与平衡有三种型式﹝如图8-3﹞: 1不安定、平衡:如﹝图8-3a﹞重心在压力中心之后,当飞机受阵风或其它外力影响产生抬头时,主翼攻角增大,升力增加,焦点弯矩不变,升力与重力产生的力矩会增加抬头的趋势,所以是平衡但不安定。

2中性安定、不平衡:如﹝图8-3b﹞重心与压力中心在同一在线,没有修正力矩来平衡焦点弯矩,所以称中性安定但不平衡。

3安定、不平衡:如﹝图8-3c﹞重心在压力中心之前,当飞机受阵风或其它外力影响产生抬头时,主翼攻角增大,升力增加,升力与重力产生的力矩会减少抬头的趋势,所以称安定但不平衡。

由以上可看出没有水平尾翼的飞机无法保持俯仰安定与平衡﹝S型翼除外﹞,故水平尾翼有其必要性。

第四节重心前后位置

实际上飞机重心前后位置安排必须与水平平尾翼配平力等一并考虑,我们知道机翼产生升力同时亦产生一弯矩,我们也知道当速度固定时升力对于机翼前缘算来1/4距离的位置产生的弯矩是固定的,所以实际升力产生的作用可以以作用在焦点的力及一个弯矩来替代,现在我们将飞机装上尾翼后再分析一次飞机的安定与平衡,以下五种配置,作用于飞机的力都是平衡的,向上力的和等于向下的力的和,顺时针弯矩的和等于反时针弯矩的和:

1重心在压力中心之后、尾翼升力向上﹝如图8-4﹞:这是自由飞模型最常采用的配置,重心在机翼偏后位置,自由飞模型一般重心在前缘算起50%~90%位置,主翼升力对重心产生的弯矩无法抵销焦点弯矩,尾翼须一个向上的升力,以便产生一个反时针弯矩,这时飞机的重量W等于主翼升力L1加尾翼升力L2﹝W=L1+L2﹞,即尾翼分担部分主翼的负担,事情好像不错,但我们不要忘了,尾翼既然有升力就多了一组诱导阻力,另外当飞行中碰到阵风或飞机加速,因升力与速度平方成正比,主翼与尾翼升力同时增加,飞机就不由自主往上升,这在自由飞模型固然可以争取高度,但在遥控特技飞机就不是件好事了。

2重心在压力中心之后、尾翼无升力﹝如图8-5﹞:一般内凹翼型重心约在前缘算起33%位置,很多遥控模型飞机采用此种配置,这是因为压力中心原在25%位置,再加上焦点弯矩化为升力对重心的位移约8%,故假设把压力中心移至33%位置时刚好无弯矩作用,此时主翼升力等于飞机重量﹝W=L1;L2=0﹞,所以尾翼的配平力为零,尾翼没有升力就没有尾翼的诱导阻力是最大优点。

3重心与压力中心同一线之前、尾翼升力向下﹝如图8-6﹞:这种配置重心在压力中心同一

在线,主翼升力对重心未产生任何弯矩,焦点弯矩无法抵销,尾翼须一个向下的力,以便产生一个顺时针弯矩以取得平衡,这时飞机的主翼升力L1等于重量W加尾翼向下升力L2﹝L1= W +L2﹞,即尾翼消耗部分主翼的升力。

4重心在压力中心之前、尾翼升力向下﹝如图8-7﹞:这种配置有天生的安定性,是像真机、遥控练习机最常采用的配置,主翼升力对重心产生的弯矩及焦点弯矩需由尾翼向下升力产生的顺时针弯矩予以配平,这时飞机的主翼升力L1等于重量W加尾翼向下升力L2﹝L1= W +L2﹞,即尾翼消耗部分主翼的升力。

5前翼机﹝如图8-8﹞:重心在压力中心之前,主翼升力对重心产生的弯矩及焦点弯矩需由前翼来配平,因前翼在主翼前方,所以前翼升力向上产生顺时针弯矩以便配平,飞机的重量W等于主翼升力L1加前翼升力L2﹝W=L1+L2﹞。

重心在压力中心之后尾翼产生向上的升力分担部分主翼的负担,好像是不错的方法,如此主翼面积可以缩小,节省重量及阻力,但这种配置方式飞机只在一个速度下平衡,当飞行中碰到阵风或飞机加速,飞机就不由自主往上升,遥控飞机还有另一个问题,当操纵者打升舵欲往上飞时,尾翼攻角改变升力改为向下产生顺时针弯矩﹝如图8-9﹞,主翼攻角增大升力增加,增加的升力对重心的顺时针弯矩把机头抬得更高,使主翼攻角进一步增大,结果使升力再增加,恶性循环使飞机反应过度,变得非常”神经质”,严重时根本无法操纵。

自由飞模型通常只有一种飞行速度就是滑降,所以采用如﹝图8-4﹞配置是很自然的事,遥控模型就比较复杂,练习机的场合初学者希望当飞行姿势乱掉时,只要把手离开摇杆,飞机会自动恢复水平飞行,飞机对舵的反应不要太敏感,特技机的场合则刚好相反,希望飞机对舵的反应灵敏,当你爬?蚋┏迨辈幌M新馗雌椒傻那阆颍灾匦牡奈恢梅浅V匾匦牡奈恢貌⒚挥幸桓雒魅返姆纸绲悖缭谀骋坏阍虬踩诹硪坏阍蛎舾校话阋?啬P头苫匦脑荚谇霸?5%~33%都可以,像真机还可以再前一点,市售遥控飞机的设计图,上面标示的重心大部分都不是固定一点,而是一个范围,总之重心越偏前面纵向越安定,越后面越敏感。另外一个要注意的地方是,量重心位置时油箱不要有油,如连燃油一起量,因一般飞机油箱都在机头,量起来重心偏前,我在飞行场看过好几次重心太后的飞机,刚起飞时还好,当燃油越用越少重心会越偏越后,最后就陷入无法操纵而摔机。 重心在压力中心之后的配置,尾翼产生向上的升力分担部分主翼的负担,如此主翼面积可以缩小,节省重量及阻力,前面已提过这种配置方式飞机只在一个速度下平衡,但因为现在计算机发达,于是发展出线传飞控(Fly By Wire),使这种配置大为流行,方法为使用各种传感器取得飞机速度、姿态等数据,经计算机计算后每秒发出几十次修正命令给操纵面,使飞机保持平衡,现在新一代战机如F16、幻象2000、F22都是线传飞控,民航机如Airbus的飞机也是FBW,读者可以注意电视上F16起飞时的影片,当飞机由停机坪往跑道滑行时,因此时计算机已开启,地上任何不平整使飞机颠簸一下,飞机的计算机就认为姿态改变了,于是发出修正命令给升降舵,结果我们就看到升降舵猛上下修正,以前因为计算机程序问题,法国的空中巴士曾在航空展众目睽睽下发生计算机与人抢操纵权的事情,结果当然是很凄惨。

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第一节引擎下推力与侧推力

动力飞机我们希望引擎油门改变时只有速度改变而飞行的姿态都不要变,但飞机速度越快升

力越大,飞机会往上,油门降低时飞机会往下掉,所以我们把引擎推力线的安装角度稍微朝下,让引擎的推力有一些向下的分量叫下推力,引擎推力越大向下分量也越大,以抵销上浮力。

因一般螺旋桨都是顺时针转﹝从后看﹞,因螺旋桨反扭力的关系飞机会朝左滚,且这扭力与转速成正比,所以我们把引擎推力线的安装角度稍微朝右,让引擎的推力有一些向右的分量叫侧推力,引擎转速越快向右分量也越大,刚好抵销反扭力。 第二节陀螺效应

模型飞机还有一个比较奇怪的力叫陀螺效应,有些飞机在突然爬升时飞机会往左滚,除了机身制作不准确外很可能是陀螺效应,螺旋桨可视为一个转动的陀螺虽然它的质量只占飞机一小部分,飞机从平飞改爬升时依陀螺效应要补一个向上的向量使飞机,这在高转速引擎﹝如竞速机或导风扇机﹞或大螺旋桨的像真机比较会发生,此外后三点的像真机起飞时,当速度逐渐增加而尾巴抬起来时,陀螺效应加上反扭力,也可能使飞机打地转。 第三节下推力、侧推力的测试

引擎下推力与侧推力的安装角度一般都非常小,很难一眼看出来,侧推力还可以由引擎的散热片用延长基线方式量出,下推力就没办法了,有些人建议将螺旋桨转至6、12点方向,将飞机顶住墙壁后垫平,然后量两个桨端至墙壁的距离换算出下推力角度,这方法非常不准,飞机在制作时就要尽量要求精度,制作完成后虽我们不知道确实角度是否与设计相符,但我们可由试飞来测试,方法如下: 1下推力:将飞机引擎全开后于上空微调成水平直线飞行,约在正前方上空突然将引擎关至怠速,飞机减速后可能的姿态如﹝图9-1﹞,a表示下推力过大,b表示下推力正确,c表示下推力过小,产生姿态a的原因是因为引擎下推力过大,此时为了平衡过大的下推力,飞机的微调被调成有一点升舵,所以飞机才可以维持水平直线飞行时,当然这升舵一般用肉眼看不出来,当引擎关至怠速时下推力消失,但上舵还是有作用,飞机姿态往上仰,但因速度降低升力减少,飞机还是下降,所以有这抬头往掉的姿势,产生姿态c的原因是因为引擎下推力不够,此时为了平衡飞机抬头趋势,平飞时飞机的微调被调成有一点下舵,当引擎关至怠速时下舵作用就表现出来,使飞机以陡角度下降。

2侧推力:将飞机引擎全开后于上空微调成水平直线飞行,从正前方往头顶飞,此时突然将引擎关至怠速,飞机减速后可能的方向如﹝图9-2﹞,a表示侧推力过大,b表示侧推力正确,c表示侧推力过小,当引擎侧推力过大,飞机直线飞行时为平衡过大的侧推力,方向舵或副翼会被调成有偏左,当引擎关至怠速时侧推力消失,方向舵或副翼就把飞机往左偏,反之亦然。

第四节多引擎飞机

多引擎飞机是很多人喜爱但不敢跨足的领域,多引擎飞机大多是像真机,发动时两颗以上引擎的共鸣声保证吸引全场注意,﹝图9-3﹞是我的朋友阮先生与他的C-47,地点在台北三重飞行场,我用photoimpact 合成的,多引擎飞机因引擎不在机身轴在线,而在离机身颇远的机翼上,推力线需特殊考量,当两边推力不同时飞机即产生偏航,严重的是当其中一颗引擎熄火时,如不立刻处理飞机即回旋下坠。

多引擎飞机一般右边引擎推力线偏右,左边引擎推力线偏左,主要考量是如果左边引擎熄火,右边引擎推力及反扭力会使飞机往左偏,所以右边引擎推力线偏右以抵销飞机向左的倾向,同样如果右边引擎熄火,左边引擎推力会使飞机往右偏,所以左边引擎推力线偏左以抵销向右的倾向。

因引擎轴线与机身轴线的距离产生的扭矩远大于引擎的反扭力,所以当其中一边引擎熄火时

想依靠引擎偏角使飞机保持直线飞机是不切实际的,此时应将引擎关至怠速迅速降落,如果距离太远不能进场,应在可维持直线飞行范围内将尚未熄火的引擎慢慢加速配合方向舵的使用,以增加滑翔距离,一般在引擎约60%~70%时光靠垂直尾翼及方向舵尚可维持飞行,所以多引擎飞机垂直尾翼有必要稍微放大。 第五节后置引擎飞机

有些像真喷射机没采用导风扇或涡轮引擎,它的引擎一般是放在机身后面,记得此时应该用反桨就是推力桨,不要直接把正桨拿来倒装,那样推力方向还是不对的,这种后置引擎的配置推力线要装的特别准,只要差一点点要保持平飞就很难了,后置引擎的推力线应尽量与机身轴线重合,如果引擎背在机尾上不与机身轴线重合,因推力与重心的高低差会使高速时低头,否则低速时会抬头,此时应将引擎调整为有下推力,以抑制高速抬头的力矩,这里说的下推力是以推力线为准,因引擎朝后所以螺旋桨气流是朝上吹,至于下推力角度测试的方法与第三节完全一样。

有些人在遥控滑翔机重心上方背一个引擎当上升动力,这种方式因引擎离轴线太远,无论如何也无法平衡引擎推力造成的力矩,只有把引擎装成有点上推力以尽快爬高,然后引擎熄火开始滑翔。

第六节地面效应

当飞机靠近地面约一个翼展高度时,如第三章所说的诱导阻力产生下洗气流,因牛顿第三定律使飞机得到一个向上的力,另外因诱导阻力被地面阻隔无法发展﹝如图9-4﹞,读者可与第三章的图比较,所以当飞机接近地面时诱导阻力减少,翼端升力增大可延长滑行距离,这种效果叫地面效应,越接近地面效应越明显,﹝如图9-5﹞原本飞机滑降线为a,因地面效应的关系滑降线改变为b,﹝图7-5﹞的滑翔机是奥林匹克二型,翼展二米六,手投掷高度约一米七时,在无风状态因地面效应的关系大约可以飞45公尺远,滑空比不可思议的为26.5,所以在量测飞机的滑空比时要把地面效应修正回来。 第一节原则

一只老鹰体重大约是同样大小的狗体重的四分之一,鸟类为了飞行牺牲很大,少了很多陆上动物有的器官如下巴、牙齿、膀胱等,骨头也是中空的,这一切都是为了节省重量,我们设计飞机也要一样,不要有不必要的重量是一架好飞机的基本条件,整架飞机的结构要均衡的设计,某一部分特别坚固除了增加重量外没有任何意义,当然也不要有结构弱点,否则结构就会从那弱点失败,设计时可以考虑让飞机不容易摔下来,但千万不要考虑万一摔下来还希望那些部位不要摔坏,否则去玩坦克车好了,当然如考虑到重落地轮架适度加强是合理的,但也不必加强到整架飞机都摔烂了起落架还是完整的。

巴沙木的比重从0.2到0.5都有,飞机各部位受的应力种类不同大小也不同,设计时最好顺便决定各部所用的木头的强度,可以简略分为轻、中、重三级,以免飞机完成后重量与预期的差太多,此外黏着剂也要适量,看过太多人使用AB胶就像水泥工抹墙壁一样厚,还有节省重量当然很好,但也不要走火入魔,我看过一个家伙花了1200大洋帮他的F3A飞机引擎散热头换了六根钛合金螺丝,只为了节省不到一、两公克的重量,我问他那为什么你要载15分钟的油料去飞5分钟不到的比赛,问这么不识相的问题下场当然是惹来一顿白眼。

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第二节应力破坏

应力破坏就是飞机承受不了所受的力而产生破坏,结构应力破坏分成以下几类:

1拉力破坏:拉力破坏的意思是构件两端受拉,拉力超过所能承受强度造成破坏,除了因引擎座附近要负责把飞机往前拉所以拉应力比较大以外,其它部分拉力都不会造成问题,但牵

引滑翔机牵引时机翼与机身接合处拉力也很大。

2压力破坏:压力破坏的意思是构件两端受压,压力超过所能承受强度造成破坏,机翼的升力对机翼的下缘来说是一种压力,但飞机的重量平分到整个翼面后,压力就很小了,所以也不会造成问题。

3剪力破坏:剪力顾名思义就是一上一下的力,把构件剪断,飞机重落地时,飞机重量﹝向下﹞与机轮从地面传来力﹝向上﹞齐齐的沿起落架座把机翼给剪断,主翼与机身结合的插梢如果不够坚固,一个翻滚也可能把插梢剪断,这时机翼与机身分家,机身像飞弹一样坠地,机翼比较轻,大概还要好几秒才触地。

4弯矩破坏﹝如图10-1﹞:从图上可以看出,构件上缘是压力,下缘是拉力,不管是拉力或压力那个先超过极限,结构都破坏了,这是飞机飞行中最常见的破坏情形,当飞机俯冲后开始作一个翻滚,天空突然传来一声像鞭炮声,一边机翼飞出去,另一边有可能还连在机身上,各自旋转坠落,这是最典型的弯矩破坏。

5扭矩破坏:扭矩破坏顾名思义就是扭断了,机翼大梁一般都偏前面而襟、副翼在后,当襟、副翼放下使机翼受扭力,此时如机翼无法承受扭力则会扭回去,使机翼变成外洗,扭力立刻变小﹝如图10-2﹞,所以飞机上扭力不会造成破坏,但外洗使升力大为减小,所以重点在防止扭矩变形,但也有例外,我有一次在飞行场后看到一架飞机残骸,立刻吸引我注意力,它装有前缘襟翼,看了它的结构后我问其它同好是不是空中折翼,果然没错,前缘襟翼的机翼如无法承受扭力则外洗会越来越大﹝如图10-3﹞,直到扭断为止,前掠翼机也有同样特性,所以很少有前掠翼机,事实上好像只有一架XF29﹝如图10-4﹞。 第三节机翼

机翼飞行时所受的升力因为是平均分布载重,所以盖板受的力并不大,所以一般盖板用2mm的巴沙木绰绰有余,有些飞机根本没有盖板只有薄膜也可以,翼肋片只要把翼型撑出形状就好,不可能压力破坏,所以很多人把它挖洞以减轻重量,我曾经把一架25级特技机Joker的翼肋每片都挖了三个大洞,你猜我省了几公克重量,答案只有3公克,机翼我们比较关心的是弯矩及扭矩应力,飞机飞行时所受的升力图解如﹝图10-5a﹞,剪应力如﹝图10-5b﹞,弯矩应力如﹝图10-5c﹞

,可以看出破坏都发生在两边机翼接合处,所以机翼中间应力大的地方都要特别加强,要抵抗弯矩应力应设法使大梁的断面积加大,并使上下大梁距离增加,就像铁轨的断面一样,所以﹝图10-6a﹞配置就比﹝图10-6b﹞好,滑翔机低阻力很薄的翼型就很难处理了,必要时上下梁改用一根实心梁,尾翼因面积小,应力不大,靠后面那跟实心梁支撑也够了,但那根梁的材质要选硬质一点的。

双翼机机翼的结构与单翼机不同,单翼机的机翼是悬臂式结构,双翼机单独一片上翼或下翼都是软趴趴的,加上中间的支撑及钢线成一箱形结构,箱形结构在承受弯矩时上下翼分别承拉力与压力,不像单翼机由同一机翼的上下梁分别承受?τ胙沽Γ蛏舷乱砝氲暮芸栽诮峁股虾苡行В屑渲С偶案窒咴黾拥淖枇吧舷乱碇涞母扇牛运砘疾豢臁?

要抵抗扭矩变形应设法使机翼结构成一桶状,使外缘有最多的材料,所以全覆盖的机翼除翼型比较准确外,抗扭性也比较好,小飞机机翼没有全覆盖,也要使前部形成一D桶﹝如图10-7﹞,以便抵抗扭力。

保丽龙是机翼另一种常见的材料,与巴沙木相比,保丽龙可以承受压力虽然没木头强,但完

飞机空气动力学

压力中心也相对提高,安定性也提高,所以有很多实机的初级练习机也是低翼机,至于为什么有些教练机要采用低翼而不用较稳定的高翼则是因为起落架,高翼机的机翼离地太高起落架只能装在机身上,两个轮子的宽度就很窄,降落时一个不小心翼端就擦到地面,低翼机起落架分别装在机翼两边,这样就够宽了,低翼机加装水脚变成水上飞机时,因重心降低也有助于稳定。中翼机压力中心与重心几乎重合,飞机由正飞转倒飞或由倒飞转正飞感觉
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