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第二节 飞机飞行原理（第1页）

第二节飞机飞行原理

飞机的重量从几十公斤到几百吨不等，如世界最大的飞机安-225的最大起飞重量高达700吨。如此庞然大物能在空中自由翱翔而不掉下来，就是因为飞机在飞行中产生了足够的升力“托举”着飞机的缘故。

飞机的升力主要靠机翼产生，要产生升力，机翼和空气就必须有相对运动，空气相对于飞机的流动叫做相对气流，简称“气流”。升力的大小和气流状况、物理参数、机翼形状等有很大关系。下面，我们就从气流的特性入手，来探讨飞机为什么能飞、怎么控制飞机飞行等问题。

一、大气层

我们生活的地球周围覆盖着一层厚厚的气态物质，好像给地球穿上了一件量身定做的外衣，这外衣就是大气层，是飞行器活动的地方，我们则生活在大气海洋的最深处。航空器在大气中飞行，与大气有了相对运动，就会在航空器上产生空气动力，空气动力直接影响航空器的飞行状态和飞行性能，空气动力又与大气的物理性质有直接关系。因此，在学习飞机为什么会飞之前，我们必须先了解一下大气层。

（一）大气层的结构

大气层共分五层，从地面往上分别是对流层、平流层（同温层）、中间层、电离层（热层、暖层）和散逸层（见图2-19）。目前，民用飞机的飞行范围仅限于对流层和平流层底部，军用飞机也仅能达到平流层中部，因此我们在本部分学习中，只介绍对流层和平流层。

图2-19大气层

对流层是大气中最低的一层，或者说是大气海洋的底部。在赤道地区，对流层的厚度可达17千米到18千米，两极地区仅有8千米，在中纬度地区，它的顶层距地面约为11千米。由于地球引力的作用，大气全部质量的34和几乎全部水蒸气都集中在这一层，因此对流层是天气变化最复杂的一层，有风、云、雨、雪、雹等天气现象。在对流层中，空气有水平流动也有垂直流动，因此也就形成水平和垂直方向的阵风。

平流层（同温层）位于对流层之上，顶部距地面约50千米。在平流层的下半部（20千米以下），温度不随高度变化，恒定在-56。5℃，然后随高度的增加开始上升，直到顶部大约上升到0℃。平流层空气稀薄，水蒸气极少，通常没有云、雨、雪、雹等天气现象，空气也没有上下对流引起的垂直风，只有水平方向的风，并且风向稳定，平流层里常年是偏西风。这一层大气能见度好、气流平稳、空气阻力小，对飞行很有利，因此现代喷气式客机大多在11～12千米的平流层底层飞行。

（二）大气的物理性质

大气的物理性质包括大气温度、大气密度、大气压力和音速。

大气温度是指大气层内空气的温度，它表示空气分子做热运动的剧烈程度，温度越高，空气分子做无规则热运动速度越大；温度越低，空气分子做无规则热运动的速度就越小。在对流层内，随高度的升高，大气温度呈线性下降，每升高1000米，温度下降6。5℃，到同温层底部，大气温度维持在-56。5℃，不随高度变化。

大气密度是指单位体积大气的质量，随高度升高，大气密度下降。由于大气密度直接影响到飞机的升力、阻力，因此在设计制造和使用航空器的过程中，必须考虑到大气密度随高度变化而改变的特性。

小贴士

音速与大气温度的关系可用一个简单公式计算：

其中“T”是绝对温度，如果换成摄氏度，T＝273＋t

大气压力简称“大气压”，是指空气在单位面积上产生的压力。大气压的来源包括两个方面：一方面是单位面积上方直到大气层顶部的空气柱的重量；另一方面是空气分子在做无规则热运动产生的撞击力量。显然，随高度的升高，单位面积上方的空气柱越短、越轻，同时温度也在降低，空气分子做热运动的动能减小，大气压也就越小。

音速是指声音在空气中的传播速度。音波是典型的弱扰动波，音速也泛指所有弱扰动波在空气中的传播速度。飞机在高速飞行时，升力、阻力等随音速的变化有较大幅度的变化。音速随气温降低而减小，因此随高度升高，大气温度降低，音速也就降低。

（三）标准大气

我们已经知道，随着高度的变化，大气的物理参数会发生变化，这些物理参数的变化，又会引起飞行在大气层中的航空器所受的力和力矩发生变化，航空器的飞行性能就会因此而改变。为了在飞行器设计制造、性能比较时有一个统一的标准，就必须以一个确定的大气环境作为衡量标准，目前，世界上大多数国家采用的是国际大气标准。该标准是参照北半球中纬度地区的大气参数平均值为基础加以修订，作为大气的标准状态参数，满足这种状态的大气，叫做标准大气。

国际标准大气包括如下规定：大气被看做是理想气体（即没有黏性，完全符合气体状态方程）；以海平面的高度为零；在海平面上，大气的温度为15℃，大气压为101325帕（760毫米汞柱），密度为1。225千克米3，音速为340。29米秒。各种高度上的大气状态参数，可以通过计算获得（见表2-1）。

表2-1标准大气表

（续）

二、气体流动的基本规律

气体在流动过程中，随着流动空间的变化，气流的状态参数（速度、压力、密度、温度等）也会发生相应的变化。

先看看流动空间变化对速度的影响。当气体连续稳定地流过一个粗细不均的流管时（见图2-20），由于管中任何一部分气体都不能堆积起来，也不会中断，因此在同一时间内，流进流管和流出流管的空气质量应该是相等的，还可以延伸为同一时间内，流过流管任一截面的空气质量相等。这就是连续性原理。

单位时间内流过某截面的空气质量为：m=ρVA

图2-20流管

根据连续性原理，可知同一时间内流过截面Ⅰ和流过截面Ⅱ的空气质量相等，即ρ1V1A1=ρ2V2A2