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基本航空力學

文: (Nomad) Joe Chang


力的平衡

 

我們可以把作用在飛機上的力, 簡單的劃分成以下不同的力

他們分別為: 浮力(lift), 重力(gravity), 推力(thrust) 阻力(drag)

但, 對於單螺旋槳的飛機來說, 還有另一個重要的力, 則是 扭力(torque)

 

(以上圖片取自於 Su27 Flanker user's manual)

 

阻力

阻力的來源有下列兩項

1.任何因為設計不良,現實技術的不足,或其他不可避免的原因,

所造成機體本身對空氣產生的直接阻力.

2. 空氣剪力摩擦(Shear force)以外, 也包含了

 

空氣剪力摩擦的部份並不難了解, 所以應該不需要太長篇幅的解釋

簡單的說, 也就是當空氣流過機身周圍時, 因為現實上不可避免的摩擦力

在機體的周圍產生向後的推力, 這也就是所謂著空氣的剪力,

這雖然看起來不是很嚴重的一項阻力

但, 當飛機在高速的狀態移動時, 加上機體的表面積一般都不小

這樣的阻力是會有著極大的影響的

 

至於上面提到的第二項, 或許有人會覺得難以明瞭吧?

也或許會認為這跟第一項所提到的剪力該是一樣的東西吧?

這部分我再詳細解釋一下好了

當行進的物體他的前方面積(frontal area)越小時, 在行進時受到空氣直接的阻力也就越小

, 尤其在高速移動時, 這點更為重要.

就如同在高速行駛的車中, 你要是把手掌伸出車外, 你會感到手掌會有壓迫感

這種壓迫感, 也就是氣體流動對你手掌所給予的阻力的證明 (註, 不鼓勵讀者實際實驗)

你若手掌平放(讓掌心向上), 手的側面平行於移動方向的話,

感到的阻力會明顯的小過於之前讓掌心面對移動方向.

這也就是說當面對風阻的前端面積越小, 受到的直接風阻就會越小

(這也是為何跑車或是高速火車的車身前端要小, 而整體曲線要盡量以流線型來設計)

 

 

所以, 飛機最好的設計, 即是盡可能的把可接受風阻的面積降到最小

但, 以現實面來說

不管怎麼設計的機體, 只能降低風阻, 但絕沒辦法把此阻力降為零

其次, 就現實考量來說, 有很多部分雖然會造成風阻的增加

但卻是無法避免的組件 (如, 副油箱, 武器掛載, 或是雷達干擾系統等等)

 

推力

即是引擎產生的力量來讓飛機前進的力

引擎力量越大, 推力越大, 對抗阻力的力量也越大

相對的, 飛機的速度也越快

 

重力

重力, 即是地球對物體吸引的力, 也就是俗稱的地心引力

這也就是一股不斷把飛機往下扯的力

雖說對於重力的基本觀念並不難懂,

但重力對於飛行還有一個極大的影響....

而這部分將會在之後的章節有詳細的討論

 

浮力

當空氣流過飛機翅膀時, 因為壓力的不同關係會產生一種向上的推力--即是浮力

換句話說, 也就是能讓飛機順利停留在空中的力

(關於這部分的詳細解釋請看下一章)

所以, 當浮力等於重力或大於重力時, 飛機就能在天空飛行

反過來說, 當浮力小於重力時, 飛機的高度就會不斷的下降....直到接觸地面為止

 

扭力

這項力是只有作用在單螺旋槳的飛機上面 (雙螺旋槳可平衡此力)

當螺旋槳旋轉時, 會產生一個反方向的力矩 (moment)

且, 因為飛機是飛行在高空中, 並沒有任何固定的支點

所以這力矩會使得飛機本身向螺旋槳的反方向偏轉

換句話說, 當螺旋槳是順時針旋轉時, 機身會不斷的向左旋轉(roll).

這也就是扭力的影響了.....

 


最後, 這章節簡單的結論呢就是

當空氣流量越大時, 浮力也會越高,

可是相對的, 因為摩擦力的關係(前面提到的) 阻力反而也會越大

也因此需要更大的推力, 但因為現實技術的問題

引擎推力有其一定的上限, 也因此限制住了飛機對抗阻力及重力的能力

換句話說, 引擎差, 機體重的機型, 飛不快也飛不高

而引擎性能優越的機型呢, 速度快, 最大爬升高度也高.....

 


 本文完成日期 99-01-15, 最後修改日期99-07-26, 版權所有者 Nomad (c)

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