固定翼飞机工作原理的总结

机翼

机翼如何产生升力?

众所周知,机翼的主要功能就是产生升力,让飞机飞起来,那么它为什么能产生升力呢?这还得从飞机机翼具有独特的剖面说起。

我们把机翼横截面的形状称为翼型,翼型上下表面形状是不对称的,顶部弯曲,而底部相对较平。当飞机发动机推动飞机向前运动时,机翼在空气中穿过将气流分隔开来。一部分空气从机翼上方流过,另一部分从下方流过。

因此,日常的生活经验告诉我们,当水流以一个相对稳定的流量流过河床时,在河面较宽的地方流速慢,在河面较窄的地方流速快。

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空气的流动与水流其实有较大的相似性。由于机翼上下表面形状是不对称的,空气沿机翼上表面运动的距离更长,因而流速较快。而流过机翼下表面的气流正好相反,流速较上表面的气流慢。根据流体力学中的伯努利原理,流动慢的大气压强较大,而流动快的大气压强较小,这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高。换句话说,就是大气施加于机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大,二者的压力差便形成了飞机的升力。

 

襟翼

襟翼是安装在机翼后缘靠近机身的翼面,可以绕轴向后下方偏转。襟翼主要是靠增大机翼的弯度来获得升力增加的一种增升装置。

襟翼的主要作用简单来概括:一是提高失速迎角使飞机更不容易失速,二是使飞机获得更大的升力。

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襟翼一般在起飞和降落等低速的情况下才会放下使用。如果在高速巡航阶段,强行放下襟翼,只会增加飞行阻力和飞机的油耗,甚至还会对飞机结构造成损伤。

当飞机起飞时,襟翼以较小的角度打开,主要起到增加升力的作用,可以缩短飞机在地面的滑跑距离;当飞机在降落时,襟翼以较大的角度打开甚至全开,可以使飞机的升力和阻力同时增大,还可以增加失速迎角,以利于降低着陆速度,使飞机不容易失速,缩短滑跑距离。

襟翼整流罩

在机翼的后缘下方有几个凸出来的方块,而且体积还不小,飞机越大方块的数量也就越多,就像下面这张照片一样。

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这个装置叫做襟翼整流罩,里边包裹的其实是用来驱动襟翼打开闭合的机械装置。这些机械装置如果裸露在空气中,飞行时会增加飞行阻力,因此就用一个整流罩把它们包起来,另一方面也起到了保护的作用。

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当襟翼放下时,襟翼滑轨向后移动,襟翼沿着滑轨慢慢滑下,整流罩也跟着下倾一定角度,挡住前方的气流,襟翼滑轨在机翼下方乘客一般是看不到的。

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前缘缝翼

在飞机增大迎角或是放下襟翼的时候,随之而来的就是高速气流会在上表面接近机翼后缘部分产生分离,造成不规则涡流的产生,这个涡流会导致升力的下降。这时候,我们就需要前缘缝翼的帮助了。

前缘缝翼是安装在机翼前缘的一段或者几段狭长小翼,它的主要作用就是将机翼下表面的气流引导到上表面,吹散因增大迎角或打开襟翼而在机翼后缘产生的涡流,保证机翼能提供足够的升力,使飞机不容易失速。因此,前缘襟翼一般配合着襟翼一块儿打开。

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在前缘缝翼闭合时(即相当于没有安装前缘缝翼),随着迎角的增大,机翼上表面的分离区逐渐向前移,当迎角增大到临界迎角时,机翼的升力系数急剧下降,飞机容易失速。当前缘缝翼打开时,它与机翼前缘表面形成一道缝隙,下翼面压强较高的气流通过这道缝隙得到加速而流向上翼面,增大了上翼面附面层中气流的速度,降低了压强,消除了这里的分离旋涡,从而延缓了气流分离,避免了大迎角下的失速,使得升力系数提高。

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现代客机的前缘缝翼没有专门的操纵装置,一般随襟翼的动作而随动,在飞机即将进入失速状态时,前缘缝翼的自动功能也会根据迎角的变化而自动开关。

副翼

在机翼后缘外侧有一小块可以上下摆动的翼面,这就是副翼。

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副翼是飞机的主操作舵面,飞行员操纵左右副翼差动偏转所产生的滚转力矩可以使飞机做水平横向滚转,就像下面这个动图所示的这样。

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飞机的转向就是由副翼配合着飞机垂直尾翼上的方向舵来实现的。

现在的波音宽体客机中,还设计了一个襟副翼(比如波音787客机)。襟副翼就是襟翼和副翼的结合体,就像下面图片中的样子,它既是副翼,也是襟翼。在起飞降落阶段中,襟副翼充当的角色就是襟翼,用来提升升力。在高速飞行过程中,它充当的角色就是副翼。由于襟副翼距离飞机机身更近,飞机横滚运动的时候扭矩较小,因此可以操作得更加精准。

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扰流板

扰流板又可以叫做减速板,顾名思义就是帮助飞机减速用的。在飞机落地时,我们除了感受到明显的轰鸣的噪音之外,如果你仔细观察还可以看到飞机机翼上有一些板翘起来了,这个就是扰流板。

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当扰流板打开时,流过机翼的气流被改变,卸除飞机机翼的升力,同时阻力增加,配合发动机反推(就是听到的巨大轰鸣声,实际上飞机落地后的减速几乎都要靠发动机反推)和刹车一起帮助飞机快速减速。

扰流板又分为飞行、地面扰流板两种,左右对称分布,地面扰流板只能够在地面使用,但是飞行扰流板既可以在地面使用,也能够在空中使用。

翼梢小翼

翼梢就是飞机机翼末端一小段上翘的部分,我们又可以把它称之为翼梢小翼。

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飞机飞行时机翼下表面的高压区气流会绕过机翼末端的翼尖流向上翼面,形成强烈的旋涡气流,当飞机飞得越快,所产生的涡流也越强,这种气流含有很大的能量,不但对增加飞行升力和推力没有作用,反而会增加飞行时的阻力和燃料的消耗。

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翼梢的作用就像一堵垂直竖起的墙,阻碍了上下表面的空气绕流,从而减小涡流的强度,有效减少飞行时的阻力和燃料消耗。

民航客机安装翼梢小翼为的就是减小阻力提高客机的经济性。
战斗机为了提高自身的机动性舍弃了这部分的经济性,所以在战斗机上是看不到翼梢小翼的。

在具体解释翼梢小翼的工作原理前先介绍一下它所减小的阻力—诱导阻力。不同于摩擦阻力和压差阻力,诱导阻力是由升力产生的,在产生升力时由于上下翼面的压力差,下翼面的气流有向上翼面流的趋势(上翼面压力较小,气流有从压力高的地方流向压力低的地方的趋势)于是形成了翼尖涡流。

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可以看出此时在翼尖的下表面空气先是在向下运动,同时气流又在相对于飞机飞行的方向在向后运动,两个运动合成在机翼的下表面便形成了下洗。(V就是气流未受机翼扰动前的速度,W是形成翼尖涡流时气流的速度,u是下洗气流的速度)

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所以说本来平行飞机运动方向的气流开始向向后向下运动,实际上机翼产生的力是垂直于气流的,经过力的分解产生了向上的升力和向后的阻力,这个阻力就叫做诱导阻力。(L’就是机翼产生的力了,L是分解出来的升力,Di就是所谓的诱导阻力了)

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要如何样减小诱导阻力能?工程师们想到了一个简单粗暴的方法,弄块板子把气流挡住,阻断翼尖涡流(当然还是无法完全阻断),减小下洗,减小诱导阻力,于是翼梢小翼便诞生了。

 

附:关于失速  
机翼能够产生升力是因为机翼上下存在着压力差。但是这是有前提条件的,就是要保证上翼面的的气流不分离。
 
如果机翼的迎角大到了一定程度,机翼相当于在气流中竖起的平板,由于角度太大,绕过上翼面的气流流线无法连贯,会发生分离,同时受外层气流的带动,向后下方流动,最后就会卷成一个封闭的涡流,叫做分离涡。像这样旋转的涡中的压力是不变的,它的压力等于涡上方的气流的压力。所以此时上下翼面的压力差值会小很多,这样机翼的升力就比原来减小了。到一定程度就形成失速,对应的机翼迎角叫做失速迎角或临界迎角。




尾翼

飞机的尾翼由水平尾翼(平尾)和垂直尾翼(垂尾)两部分组成。

先来说说水平尾翼。平尾由水平安定面和升降舵两部分组成,其中前面面积较大的翼面叫做水平安定面,后面面积稍小的翼面叫做升降舵(如下图)。它俩的主要功能是控制飞机的俯仰角度,确保飞机处于最佳飞行姿态。

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一般情况下,飞机的重心和机翼受到的升力中心并不会重合,重心位于升力中心的前面,因此这两个力会对飞机产生力矩使飞机低头。而飞机的水平尾翼其实是一个倒置的小机翼,它在飞行时能产生向下的升力,为飞机提供一个反向的力矩,使飞机能够保持水平飞行。假设一架飞机如果在飞行时突然失去了平尾,就会一头栽向地面

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水平安定面可上下小幅度偏转,它的作用面积大,升力也大,反应时间较慢,它的主要作用是配平飞机,通俗点说就是提供一个和重力相反的力矩,使飞机在飞行时具有水平静稳定性。

每次飞行前,签派员会根据航班的机型、旅客数量、货物装载情况、载油量等因素计算出飞机的重心位置以及所需要的载重平衡,然后飞行员会根据签派计算好的载重平衡数据,通过转动驾驶舱内的配平手轮,来把水平安定面调整到合适的角度,确保飞机配平。

升降舵的作用顾名思义就是用来控制飞机爬升或下降的。升降舵可偏转角度较大,作用面积小,附加升力小,但反应快。飞行员在驾驶舱内通过向前推动驾驶杆或向后拉杆来控制升降舵的偏转角度,从而给正在水平飞行的飞机提供一个附加力矩,使飞机抬头爬升或低头下降(如下图)。

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升降舵运动示意图

另外,绝大多数飞机的升降舵翼面的后缘,还有一片铰接的小翼面,也可上下偏转,这个我们把它称之为“配平片”。由于飞机在飞行时会因为速度的变化、人员的走动、颠簸、燃油消耗等因素致使受力情况发生改变,导致飞行姿态改变。此时飞机的控制系统会根据实时动态自动调整配平片角度,修正飞行姿态。这样,飞行员就不必通过不停地推杆拉杆操作升降舵来修正飞机。同时,配平片了补偿了因外界扰动产生的舵压而对操作杆反馈的杆力,有效减轻了飞行员的工作负荷。

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聊完了平尾我们再来聊聊垂尾。垂直尾翼由固定的垂直安定面和可以左右偏转的方向舵组成。

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垂直安定面是垂直尾翼中的固定翼面部分。当飞机沿直线作近似匀速直线运动飞行时,垂直安定面不会对飞机产生额外的力矩。但当飞机受到气流的扰动机头偏向左或右时,此时作用在垂直安定面上的气动力就会产生一个与偏转方向相反的力矩,可以使飞机保持航向。而且一般来说,飞机偏航得越厉害,垂直安定面所产生的恢复力矩就越大。所以垂直安定面的作用是提供飞机横向静稳定性的功能。如果飞机在飞行时突然失去了垂尾,飞机不但无法控制方向,还会受气流横向摆动变得难以控制。

方向舵顾名思义就是用来控制飞机转向的,它是垂直尾翼中可偏转的翼面部分。方向舵偏转后会对飞机在机尾产生一个横向力矩,并且在位于主机翼上的副翼配合下,使飞机横向翻滚倾斜一定角度实现来飞机转向的。

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方向舵运动示意图
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副翼运动示意图,飞机的转向是由方向舵配合副翼使飞机横向倾斜来实现的

最后我们用一张图来做个总结。

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水平尾翼是用来操纵飞机上仰和下俯的。例如,为了使飞机上仰,就可拉驾驶杆,使升降舵向上翘,气流经过水平尾翼时,其上部的流速减慢,下部的流速加快,这就产生了一个附加的向下的力,对飞机重心形成一个向上的力矩,其结果就使得飞机上仰;反之则下俯。
垂直尾翼的方向舵是用来操纵飞机方向偏转的。通过飞行员左、右蹬舵,使垂直尾翼上的方向舵左、右偏转。如飞行员蹬左舵,方向舵左偏,相对气流作用在方向舵面上,使垂直尾翼上产生一个向右的侧力,对飞机重心构成了一个使机头左偏的方向操纵力矩,飞机向左发生偏转;同样地,飞行员蹬右舵,机头就会向右偏转。

 

固定翼飞机升力以及操纵力矩来源:

前飞动力:由发动机直接喷气或螺旋桨产生拉力。

升  力:由机翼产生。

俯仰力矩:由水平尾翼活动舵面产生。

滚转力矩:由副翼产生。

偏转力矩:由垂直尾翼的活动舵面产生

 

参考文献 :知乎 飞机尾翼在飞行中的作用及原理是什么?

民航客机机翼末端翘起的部分有什么作用?

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