第二章 模型的原理与结构
第一节 概述
能够离开地面飞行的装置总称飞行器，飞行是航空模型的主要特征。飞行器可以分为外层空间的飞行器和大气层的飞行器两大类。外层空间的飞行器叫做宇宙飞行器，如人造卫星、宇宙飞船等。大气层的飞行器叫做航空器，它包括轻航空器和重航空器。
轻航空器和重航空器虽然都可以在大气层内飞行，但是它们的飞行历史截然不同的。
1、轻航空器
轻航空器是指它的重量比同体积空气轻的航空器。它是依靠空气的浮力而升空的。根据阿基米德定律，任何物体在空气中都会受到向上的浮力，这个浮力的大小等于被物体排开的空气的重量。如果航空器的重量等于它所排开的空气的重量，它所受到的浮力就会大于重力，航空器就会像上升起，正像放在水底的木块回向上浮起一样。
常见的轻航空器有气球和飞艇。气球和飞艇都充入比空气轻的气体，如氢气和氦气。有些气球还充入热空气。气球是没有动力装置的，靠自然风运动。飞艇使用发动机做动力，发动机带动螺旋桨，推动飞艇前进。飞艇一般造成流线形，以减少阻力。飞艇还装有尾翼，以保证它前进时的稳定性，并且通过尾翼操纵飞艇的飞行方向。
图2-1 气球与飞艇
气球的球囊一般都用不透气的布，而模型气球则用纸。
轻航空器的升空条件。要设计和制作一个轻航空器，必须要考虑它所受的浮力和重力。只有当浮力大于重力的时候，轻航空器才能升空。为了计算方便，我们引入比重这个概念。比重是指某种物质在单位体积内的重量。下面以热气球为例，介绍计算浮力和重力的方法。
2、重航空器
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重航空器是指它的质量比同体积空气重的航空器。飞机、火箭、导弹等都属于重航空器。显然，重航空器所受到的浮力比重力小得多，不可能依靠浮力升空。飞机可以利用空气动力升空。火箭和导弹直接利用反作用力升空。重航空器的飞行原理要比轻航空器复杂得多。
第二节 空气动力学基本原理
当一个物体在空气中运动，或者空气从物体表面流过的时候，空气对物体都会产生作用力。我们把空气这种作用在物体上的力叫做空气动力。
空气动力作用在物体的整个表面上。它既可以产生对飞机飞行有用的力，也可以产生对飞机飞行不利的力。升力是使飞机克服自身重量保持在空气重飞行的力；阻力是阻碍飞机前进的力。为了使飞机能够在空机中飞行，就要在飞机中安装发动机，产生向前的拉力区克服阻力，飞机和空气发生相对运动，产生升力区克服重力。
为了进一步讨论飞机的升力和阻力，我们需要简单介绍一下空气动力学的几个基本原理。
1、相对性原理
在运动学中，把运动的相对性叫做相对性原理或者叫做可逆性原理。
相对性原理对于研究飞机的飞行是很有意义的。飞机和空气做相对运动，无论是飞机运动而空气静止，还是飞机静止而空气向飞机运动，只要相对运动速度一样，那么作用在飞机上的空气动力就是一样的。
根据这个原理，在做实验的时候，可以采用一种叫风洞的实验设备。这种设备利用风向或其他方法在风洞中产生稳定的气流。把模型放在风洞里，进行吹风实验，用来研究飞机的空气动力问题，模型在风洞里测出的数据和模型在空气中以相同的速度飞行时测出的数据是相近似的。
2、连续性原理
为了一目了然地描述流体的流动情况，需要引入流线的概念。流体微团流动时所经过的路径叫做流线。
图2-2 稳定流体的流线
图2-2是稳定流体流过某一个通道的流线。从图中可以看到，截面宽的地方流线系，截面窄的地方流线密。由于流线只能在通道中流动，在单位时间内通过通道上任何截面的流体质量都是相等的。因此，连续性原理可以用下式表示：
??S?常数
假设流体是不可压缩的，也就是说流体密度?保持不变，截面1的面积是S1，截
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面2的面积是S2，通过截面1时流体速度是?1，通过截面2时流体速度是?2，于是有：
υ1S1?υ2S2
由公式和图可以看到，截面窄、流线密的地方，流体的流速快，截面宽、流线稀的地方，流体的流速慢。通过以上分析就很容易解释窄水流快，路面窄风速大的现象了。
3、伯努利定律
如果两手各拿一张薄纸，使它们之间的距离大约4~6厘米。然后用嘴向这两张薄纸中间吹起，如图2-3所示。你会看到，这两张纸不但没有分开，反而相互靠近了，而且用最吹出来的气体速度越大，两张纸就越靠近。这是为什么呢？这就是由于伯努利定律的作用。简单的说流体的速度越大，静压力越小，速度越小，静压力越大，这里说的流体一般是指空气或水，这就是伯努利定律。伯努利定律是空气动力最重要的公式。
图2-3 伯努利定律
从这个现象可以看出，当两张纸中间有空气流过的时候，中间空气流动的速度快，压强便小了，纸外压强比纸内大，内外的压强差就把两张纸往中间压去，中间空气流动的速度越快，纸内纸外的压强也就越大。
伯努利定理是能量守恒定律在流体中的应用。当气体水平运动的时候，它包括两种能量：一种是垂直作用在物体表面的静压强的能量，另一种是由于气体运动而具有的动压强的能量，这两种能量的和是一个常数。
1静压强度就是通常讲的压强，用p表示，单位是Kgf/m2，动压强用??2表示，
2其中?是空气密度，单位是Kgs2/m4（因为密度?和比重?的单位关系是???g，重力的单位是Kgf，?的单位是Kgf/m3，g的单位是m/s2，所以空气密度的单位是
。如果忽略气体的压缩性以及温度变化的影响，伯努利定理可以用下式表Kgs2/m4）
示：ρ
1??2?p?常数 2
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用伯努利定理研究前述截面情况，就有：
11??22?p2???12?p1 22从上式可以得知，在?不变的情况下，由于截面2处的流速?2大于截面1处的流速?1，所以阶面2处的静压强p2小于截面1处的静压强p1。
伯努利定律在日常生活上也常常应用，最常见的可能是喷雾器（如图2-4），当压缩空气朝A点喷去，A点附近的空气速度增大静压力减小，B点的大气压力就把液体压到出口，刚好被压缩空气喷出成雾状，读者可以在家里用杯子跟吸管来试验，压缩空气就靠你的肺了，表演时吸管不要成90度，倾斜一点点，以免空气直接吹进管内造成皮托管效应，效果会更好。
图2-4 伯努利定律的应用
第三节 机翼的翼型和升力
飞机为什么能够像鸟一样在天空中滑翔？其实很早人们都在惊奇鸟的飞翔了。《诗经》在大雅中就有“鸢飞戾天，鱼跃于水”的诗句。显示出人对飞鸟游鱼的羡慕以及人类的无奈。
一、翼型
航空先驱们正是从研究鸟的飞行原理开始学习飞翔的。人们发现，鸟的翅膀在飞行使羽毛能够展开，并且翅膀下面是内凹而上方是凸起的。
1903年，美国的莱恃兄弟研制的有人动力飞机、 1908年法国的昂利·法尔门操纵的巴然·法尔门飞机都是双冀机，机翼也都是蒙布的并且具有薄的带有正弯度的翼型，它们都很象鸟翼的截面。现在所研制的飞机基本上也是这种截面，都具有一定的
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向上凸起弧度，为什么机翼要做成这种形状呢？
图2-5 翼型与机翼的剖面
机翼横截面的轮廓叫翼型或翼剖面。截面取法有的和飞机对称平面平行，有的垂直于机翼横梁。直升机的旋翼和螺旋桨叶片的截面也叫翼型。
翼型的特性对飞机性能有很大影响，选用最能满足设计要求，其中也包括结构、强度方面要求的翼型．是非常重要的。
为了适应各种不同的需要，航空前辈们发展了各种不同的翼型，从适用超音速飞机到手掷滑翔机的翼型都有。100年来有相当多的单位及个人作有系统的研究，与模型有关的方面比较重要的发展机构及个人有：
1、NACA：国家航空咨询委员会即美国太空总署（NASA）的前身，有一系列之翼型研究，比较有名的翼型是”四位数”翼型及”六位数”翼型，其中”六位数” 翼
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航模基础知识 原理与结构 - 图文
