基本航空力學
文: (Nomad) Joe Chang
攻角(Angle of attack)與失速
前言
剛入門的玩家, 可能或多或少都會對這個名詞
攻角, 或Angle of attack(或更簡單的縮寫成
AOA)感到迷惑的吧?尤其這字眼隨處見到, 失速會探討到它, 起飛降落會探討到它
俯衝轟炸的部分也會探討到它, 事實上整個飛行理論都跟這字有著密不可分的關係....
可是...確偏偏這字又不能望文生義....這對很多新手來說, 想必是一個難解的謎題吧?
在這章節中, 我將簡單的解釋什麼是攻角, 它又怎麼樣會跟失速有關係
至於失速這個概念, 將會在之後的章節有著更深入的探討
什麼是攻角?
若是用一句話來解釋的話, 攻角就是
機身縱軸跟移動方向的夾角, 就叫做攻角
也可解釋成, 機翼方向跟空氣流向的夾角就是攻角
(註 縱軸也就是從機鼻到機尾的中心軸線 (物體最長距離部分的中心軸)
若是以人來說, 即是頭到腳的中心軸, 你若做縱軸旋轉的話, 也就是左右旋轉的動作,
而飛機做縱軸旋轉則是 roll 的動作)
或許有人看到這裡會感到很迷惑的問:'機身縱軸跟移動方向不是該一樣的嗎?'
'機翼方向跟空氣流向不也是該總是成平行的嗎?'
這點, 在理論上來說是對的
但在現實上來說, 這是不對的
理論上來說, 空氣的流向該總是跟行進方向成平行的
但, 實際上, 因為物體有慣性
當你的行進方向改變時, 機體並不會立即就朝那方向行進
卻會受到慣性的影響而慢慢矯正方向
舉最簡單的例子來說
現實中, 開車在轉彎時
並不會因為你一打方向盤, 車子行進的方向就立刻改變成平行於輪胎的方向....
(也就是說, 可能你明明輪胎已經轉向右方了, 可是因為慣性影響, 其實你現在的行進方向卻還是朝向原來方向)
尤其若是高速急轉時, 更有可能造成車子打滑, 或打轉的情形產生
飛機的狀態也是如此
當你拉桿從平飛到爬升時
飛機並不會馬上就朝向你所設定的新角度來行進, 而是成弧線般的慢慢改變其行進方向
(註 所以飛機飛行的動作, 與其稱呼叫飛, 可以更嚴格的稱呼叫''可以控制的飄浮'')
這點可看下圖的說明
(上圖修改於, SU27-Flanker user manual)
由上圖可知
空氣的流向跟飛行路徑是成一正切(tangent)的直線
但, 飛機機身的縱軸卻不一定跟飛行路線成正切的關係
而這兩者間的夾角, 我們就稱謂攻角, 也就是圖上AOA的部分
那..為何我們要在意攻角呢?
這是因為攻角對於浮力會有很大的影響
當攻角增加時
因為機體縱軸的角度上仰, 所以相對的
氣流從機翼上方通過路徑的距離會因此而增加
在上一章我們曾提到過, 當機翼上方的距離變長時, 壓力減小,而浮力增加
但, 攻角增加浮力並不會不斷的跟著增加!!!
相反的, 當攻角過分大時浮力會因此減小!!
也就是說, 當攻角大到某一限度時, 氣流將再也無法順利的流過機翼的上下面
相反的, 氣流將直接打在機翼的表面, 且在氣流後方(downstream)
造成分離(separation)及混亂 (turbulent flow)的現象
在流體力學的理論中,
1.當氣流分離時, 外部的氣體有著較高的速率, 但在內部的氣體卻有著較低的速率
2.且當氣流由安定(steady)變為混亂(turbulent)時, 氣流行進的方向會變的不定
這兩點請看下面的圖解
(以上圖片取自於 Jane's Fighters Anthology user manual)
圖上可清楚的看到
位在機翼上方的氣流是雜亂且方向不定的
這些方向混亂的氣體的速率會比外部安定的氣流要來的低, 再加上其方向不定力量相互抵銷
所以這部分(也就是機翼上方)的壓力反而會變大 (因為速度低, 但反方向的氣流流速反而快)
而造成浮力急速下降
在這狀況下,
飛機因為失去浮力, 無法再有力量跟地心引力抗衡---而會像石頭一般的掉落
這種現象, 就是所謂的失速
(至於對其他關於失速更深入的探討將會在之後的章節談到)