飞机飞行原理

飞机飞行原理 飞机基本构造作用及飞行原理 航空航天 2010-08-06 11:44:00 阅读439 评论1 字号:大中小 订阅 一.前言 关于飞行，discovery 频道节目中，提到过一句非常贴切的形容词:「飞机发展的速度可能比飞机本身的速度还要快」。在短短一个世纪中，飞行器的进步，可说超越了绝大多数人类的想象。不要说五十年的差距，在二十世纪中，任何一个十年的发展，其成果都可以叫人感到不可思议。回顾莱特兄弟的第一次飞行长度，甚至比一架波音747-400 型客机的长度还要短;航空器的升限、速度、续航力、配载能力，在在都展现了人类的高超工艺水平。但是即使是能在空中作出不可思议动作的苏恺su-27型战机、或者是以惊人效率运送人员与货物的波音747-400 型机，其基本的原理，距离一个世纪以前人类第一次正式踏入飞行的领域开始，可说完全相同。 现今在世界上，可说有无数的飞机在世界的任一个角落发挥他的性能，为人类提供各式各样的运送协助，每天都有超过百万架次的航空器在世界各地起降，这些从大到小、从快到慢、从商用到军用的航空器，其实都完全符合几个简单的力学原理与定律。接下来，从最基本的力平衡，一直到飞机性能的展现，希望我的这篇文章，能够带给许多想要了解这一领域学问的新手，一个深入浅出的引领。 二.飞机基本构造 在认识基础飞行原理之前，我们先简单的认识一下飞机的构造， 以及各构造的功能，让读者在接下来的文章中，能比较有概念的吸收。参 考下图，我们来认识飞机。 1机身:用以筹载旅客、货品的空间。为了本节中各构造功能的说明，我们在这边定义飞机的x、y、z 三轴，飞机的x 轴就是机身中心轴，位于水平面上;y 轴则是在水平面上与机身中心垂直之轴;z轴则是与xy 平面(水平面)垂直之轴，也就是铅直轴。 2机翼:机翼是产生升力的来源，不同形式的机翼会带来完全不同的空气动力特性。 3襟翼:襟翼简单的说就是向延伸而出的机翼，以液压连杆构造控制其收放，襟翼可以完全以上述控制连杆收藏于机翼之内(上图中飞机之襟翼即为收起状态)，也可以放出增加机翼面积。以下状况下，飞机需要襟翼的辅助:「飞机在起飞时希望在较低速度下即可获得较大升力」、「飞机在降落阶段希望以较 低的速度维持滞空能力」、「飞机在低空盘旋时，希望能在较低速度下获得较 好的操控能力」。多数襟翼设计于机翼之后端，需要的时候，向后延伸放出，另有一些机种设计有前缘襟翼，使用时朝前方延伸而出。不馆前缘或后缘襟翼， 作用都是增加机翼的有效面积。 4副翼:副翼都是两边机翼分开作动，一边翘起、另一边的就下压，副翼可以对飞机的x 轴产生转矩，这个转矩可以驱使飞机以x 轴为中心转动，改变飞机的坡度(飞机以x 轴为中心旋转之角度)。当左侧副翼往上、右侧副翼往下转动，左侧副翼改变气流往上，获得往下的反作用力，右侧副翼改变气流往下，获得往上的反作用力，这两个力大小相等，方向相反，对飞机的作用总力为0，称为力偶(一对大小乡等方向相反作用在不同点上的力)，这个力偶对飞机的x 轴提供转动的力矩，在这个例子中，飞机将会以x 轴为中心，逆时钟转动(从后方观察);反之，若是左侧副翼往下转动、右侧副翼往上转动，造成的力偶则是左侧往上、右侧往下，这个力偶造成的力矩可以推动飞机沿x 轴顺时钟转动。 5水平安定面:水平安定面是用来稳定飞机的俯仰(飞机以y 轴为中心转动的动作)状态，没有水平安面的飞机，将无法稳定的以固定角度直进。 6升降舵:位置在水平安定面的后端，是一片可以上下改变角度的翼状结构物，升降舵的作用为改变飞机的俯仰姿态。当升降舵的后端翘起，改变气流往上，同时可以获得往下的反作用力，这个力以y轴为中心，造成一个让飞机抬头的力矩，机头因此抬高;反之，当升降舵后端下垂，则可以获得让飞机低头的力矩。有些机种的设计上，以整片水平安定面同时作为升降舵，但是由于其提供的功用不同因此分别讨论。 7垂直安定面:垂直安定面是用来稳定飞机的偏航(飞机以z 轴为中心转动的动作)状态，没有垂直安面的飞机，将无法稳定的以固定角度直进。 8方向舵:位置在垂直安定面的后端，是一片可以左右改变角度的翼状结构物，方向舵的作用为改变飞机的偏航角度。当方向舵的尾端向右转动时，改变气流往右会造成往左的反作用力，这个力对飞机的z 轴产生一个力矩，让飞机沿z 轴做顺时钟转动(从上方观察)，飞机的机头方向朝右方转动;反之，当方向舵的尾端向左转动，改变空气往左，则可获得往右的反作用力，造成的力矩推动飞机沿z轴做逆时钟转动。 9发动机:作用就是提供飞机往前的推力，是飞机的动力核心。发动机的推力方向朝向机头，与飞机的x 轴平行。值得特别注意的是，近代的大型客机的发动机推力都很大，发动机的位置，对于飞机来说是非常重要的，因为不同位置的发动机，产生的推力对飞机来说会产生不同的力矩，发动机推力在飞机重心水平线以下，推力会对飞机产生一个抬头的力矩，反之，装置在飞机重心水平线以上的发动机(md-11 型机的二号发动机)，推力会对飞机产生低头的力矩，因此，飞机在设计之初，发动机的位置是一个很重要的课题，会影响到飞机所有操控面的设计需求以及飞机本身的自然稳定性。 起落架:作用很简单，飞机在地面上的时候，起落架就是支撑飞机的重要构造，飞机起飞建立初始爬升率后(有些机种与公司规定是到达某高度)，起落架即收起;准备降落在所谓的最终进场阶段时，起落架才放下，此时高度多低于3000 英尺(1 英尺=0.3 公尺)。 三.航空器四大基本作用力 宇宙中的物体，基本上都可说是符合牛顿的三大运动定律(第一定律:静者恒静，动者恒做等速直线运动;第二定律:作用力等于质量乘以加速度;第三定律:作用力产生时必产生反作用力)，除了少部分牵涉到相对论的高深领域之外(同时其影响比例有限)，牛顿力学可以说是整个宇宙运动行为的透视镜。 在伟大的牛顿为我们带来的伟大理论中，牵涉到飞行的有哪些,在这边，我会用渐进的方式说明，希望让没有力学理论基础的人，也能看懂。首先，我们就要来了解作用在任何飞行器上的四个主要作用力，包括了升力、重力、推力、阻力。 我们先来谈谈这四个力的方向与作用在飞行器上的轴，确认了四个力的方向之后，我们才好分组讨论。第一个轴，我们叫做铅直轴，这个轴是垂直于地心的，也就是你手持铅垂时，签垂的绳子指向的方向。为了以后方便讨论，也让读者对文字叙述更具体，我们把它想象成国中数学中简单的平面坐标系上的y 轴。作用方向与y 轴平行的力量有重力与升力，其中重力是往下的力、升力是往上的力。第二个轴，我们叫做水平轴，他是与刚刚提到的铅直轴垂直，也就是地球上水平面的角度，再用一次平面坐标系，我们可以把x 轴想象成水平轴，如果再想象一架飞机放在坐标系的原点上，机头朝向右方，我们就可以更具体的想象这几个力量。作用在水平轴的力量也有两个，它们是推力与阻力，推力方向是朝向x 轴的正向，阻力则相反作用方向往x 轴的负向。 接下来，我们就可以开始分组讨论这四个力了，首先，我们先来说明一下作用在y 轴上，也就是铅直轴上的力，重力与升力。 重力，简单的说，就是飞机受到地球引力做造成的力量，这个力量的方向是铅直指向地心的，在海平面高度，我们一般以物体的质量等于重力大小方便让大家理解(但实际上，质量与重力是不同的，读者应留意)，虽然飞机的高度直接改变了飞机到地球中心的距离，在计算理论上，会对重力有影响，但是对地球六千余公里的厚度来说，一般航机飞行高度至多十余公里的飞行高度，实在不会构成严重影响(以平均地球半径6300 公里概算，飞行于40000 呎高度对重力之影响， ，对747-400型机的影响约等于24 名乘客)，在此，我们基于约为于千分之7.5 初步的认识，所以不讨论那些非常小的误差，前文提到的相对论，对于运动物体质量与速度计算之影响更小，也基于相同的立场不予讨论。 其次，我们来认识一下升力，升力是飞机的机翼与空气做相对运动时，肇因于机翼上下表面之压力差所升成的力(升力的详细理论在后文「伯努力定律」中，会再做详细的说明)，因此，升力不是一个单纯的、原生的力，而是一个把所有压力加总起来的合力，这个力的方向是垂直于地心向上的。对飞行器来说，升力就是用来抵抗重力的性能表现，当飞行器的升力大于重力时，飞行器会产生向上的加速度，换句话说，就是爬升率的增加。若是升力与重力相同时，飞行器的垂直速度(飞行器垂直高度于单位时间之变化)是不会改变的，许多 人也许会认为，飞机只要在爬升，升力就大于重力，这是不对的。(注)如果 飞行器的垂直速度不变，表示那时飞行器的升力与重力相等，如果升力大于重力，垂直速度会持续的增加。 批注:牛顿第二运动定律中的立论方程式f=m×a(力量=质量×加速度)。垂直速度单位是lt-1，也就是长度除以时间，与加速度不同;加速度之单位为lt-2，也就是长度除以时间的平方。换个角度来看，加速度等于速度变化除以时间，也 就是速度的变化率，加速度不为0 的状况下，速度一定会有改变，因此，在速度不变的前提下，加速度一定就是0。再引申回去，垂直加速度为0 表示飞行器在垂直地心方向上受到的所有力量总力为0，因此，两个垂直于地心方向的力量升力(向上)与重力(向下)的合力为0，也就表示其大小相等。 再来我们来认识作用在x 轴上的力，推力与阻力。 推力，作用的方向朝向机头指向的方向，也就是在前文中提到的x 轴正向，推力来自于发动机燃烧燃料产生的推力，这部分的详细原理，也会在后文的「发动机原理」中讨论，先不多说。推力就是提供飞机往前速度的动力来源，推力大于与其相对的阻力时，飞机就可以加速往前，反之，则会减速。 阻力，作用的方向朝向机尾指向的方向，也就是之前提到的x 轴负向，他与推力是相对的，它们的关系好比升力与重力的关系。飞行器的阻力最主要来自机身以及机翼受到的空气阻力，空气阻力对汽车来说的影响还不是极其关键，对飞行器来说，在空中的运动，基本上只会与空气产生摩擦，阻力，就来自于这些与空气的摩擦。飞机的阻力，在此可以分为两个部分，第一个部分称为剖型阻力，这个阻力来自物体(飞机)推挤黏性介质(空气)，由介质分子与物体表面之黏滞性产生的阻力。另外一个部分为诱导阻力，这个阻力是由于机翼改变空气气流形成升力时同时造成的阻力，由于这个部分的阻力与机翼的形状与外形有关，在升力越大时，诱导阻力也越大。在此顺便一提，空气阻力的大小，与空气和物体的相对运动速度的四次方成正比，也就是说速度为2 倍而其它条件完全相同的状况下，空气阻力则是有16 倍的差距。由此可见对于航空器来说，要高速飞行，非得具备强大的推力，否则，是无法保持高速的。 在一一讨论过作用在飞行器上的四个力之后，我们把它们放在一起来看，因为，毕竟这四个力是一同作用在飞行器上的。想象之前提到的平面坐标系，飞机放在原点上，此时发动机提供推力，方向朝向x 轴正向，飞机加速，同时阻力增加，再推力大于阻力的状况下，飞机都会持续的加速，阻力也会一直增加，一直到推理与阻力相等，飞机的速度就维持不变。在加速的过程中，飞机的机翼对空气产生相对运动，随着速度的增加，产生的升力越来越大，在升力不超过重力之前，飞机都会维持在地面上，一但升力增加到超过重力，飞机就会获得往上的加速度，飞机的垂直速度往上增加，飞机就产生爬升的行为，爬升的速度会一直增加，只要升力持续的大于重力，当飞机的爬升速度够了之后，我们可以用改变飞机姿态的方式让升力与重力相等，让飞机维持在固定的垂直速度，稳定的爬升。而到达需要的高度时，我们可以用相反的方式，藉由改变飞机姿态的方法，让升力稍稍小于重力，注意，此时飞机仍在上升，只是爬升的速度渐渐变慢，带爬升速度为0 时，我们再度让升力与重力相等，飞机就可以维持在固定的高度了。 换句话说，一架在固定高度用稳定速度飞行的飞行器，我们可以说它的升力等于重力，推力等于阻力，因此，这个飞行器，或者我们从物理的角度来称呼它是运动的物体，达到力平衡状态。 四.伯努利定律 说完了飞行器基本的四种力之后，接下来就是让飞机飞起来的重要关键「升力」的来源。在第一节中，我们认识到升力，文章中也提及，升力不是一个单纯的、原生的力，升力其实是无数作用在机翼表面上的压力的总和。 当作用在机翼表面上的无数压力的总合是一个往上的正的力的时候，飞机就获得升力，说穿了，就是这么简单。但是，为了要更正确深入的了解升力，我们必 须要先认识一下我们的大气环境以及伯努利定理。也许许多人一辈子也不会发现，但是，我们的大气，其实就如同液体一般的存在着巨大的压力。这些气态以及液态的物质，我们统称它们为流体，流体的一个很重要的性质，就是它们都具有压力。 回顾一下基本的物理学，压力的单位是fl-2，也就是力量除以长度的平方，我们也可以说成力量除以面积，或者更白话一点说就是单位面积上的作用力大小。不管我们感觉得到与否，大气就如同流水一般，存在者无孔不入的压力，就好比水面之下，不论何处都存在着水压，大气也一样。再次的回顾一下流体的压力，我们先要记得，流体的压力是四面八方的，它永远垂直的作用于它的接触表面。 其次，我们要进入伯努利定理的核心了，这个定理的方程式，我想就不用造成大家的负担，但是要请千万记得这个定理的核心:「流速越快的流体，其作用在接触面上的压力越小」。乍听之下，很多人一定不以为然，流速快的流体，压力怎会比较小,让我来为大家说明，流速快的流体，它作用在冲击物体表面产生的冲量(速度×质量)比较大，但是其分子撞击接触物体表面的次数因为流速增的增加变少，压力的来源，就是流体的分子撞击接触表面而造成，所以，流速快的流体，在这个撞击次数减少的效应之下，它的流速越快，造成的压力越小。 现在我们来看看机翼的截面，机翼的截面，为了要发挥伯努利定理的效应，我们故意在上、下表面设计成不同的线条。在机翼的下表面，我们让空气直线的流过机翼表面，而在机翼的上表面，我们把机翼作成圆弧型，让它的长度比下翼面的直线要来的长。当机翼开始前进，并且对空气作相对运动时，发生了什么事,空气在机翼的前缘，被机翼切开分成两个部分，流经下翼面的空气，其流速与机翼对空气的相对速度相同，因为它走的是直线，我们没有让空气在下翼面转弯。然而，看到上翼面的部分，流经上翼面的空气，他走的路径是被我们刻意修改过的圆弧型，它对机翼的流速因为流过的距离更长而加快。(注)再回到伯努利说过的至理名言「流速越快的流体，其作用在接触面上的压力越小」，现在发生了什么事,下翼面的空气的压力比上翼面的要来的大，因为下翼面的空气流速比上翼面的要来的慢。 批注:请切记，机翼只是像挥舞一把刀似的穿过空气，空气与机翼扁表面的相对运动，来自于机翼的移动。因此空气不管从上方或者下方流过机翼，它流过的时间是一样的，也就正因为此，流速才会因为流过距离的不同而有差异。回顾到基础物理学，速度,距离?时间，时间相同的话，距离越长，速度不正就越快了 吗, 接下来是基础物理学的部分，下翼面的空气作用在意面上的压力，是垂直于接触表面的，我们现在先假设机翼是水平的，我们就可以得到无数的往上的压力，作用在机翼的下表面，把它们加总在一起，我们就可以获得一个往上的力。 而在机翼的上表面，空气的压力也是沿着机翼的垂直方向，也就是垂直往下的方向，作用在机翼的上表面上。有一些压力因为作用的表面上的弧度(记得上翼面不是水平的)，而方向可能略为偏前或偏后，但是把它们加总在一起，我们就可以得到一个向下的力量。这个力量因为流速差的关系，比作用在下表面上往上的力量要小。再次把这两个往上与往下的力加在一起，因为往上的力比较大，所以我们可以获得一个往上的总力。这个力量，就是飞机升力的来源。 不同的飞行器，把这个化时代的理论应用在不同的层面上，不只是一般我们常见的定翼机(主翼固定的飞机)，利用此理论让飞行器获得升力。即使是在旋翼机(主翼旋转的飞机，一般称为直升机)的情况，飞机的升力一样来自于上下翼面的压力差，绝不是有些人以为的，直升机是像电风扇一样，把空气向下吹以获得升力。在此顺便提到一点，直升机的主旋翼固然会把气流向下导引，形成向电风扇的功能，但是这是另外一回事，下一单元的「机翼与气流」中也会提到。 此外，这个重要的原理也是许多飞行器推力的来源，我们现在长看到许多超大型飞行器，用极为惊人的效率运送人员与货物，这些大型的运输工具，多半采用涡轮扇发动机作为推力来源。涡轮扇发动机的推力原理，后面一样会说到。但是还是有许多尺度较小的飞行器，采用螺旋桨作为推力来源，与直升机的主旋翼的原理相同，螺旋桨也是利用伯努力定理的压力差形成推力。怎么说呢,螺旋桨的截面，其实和一个扭曲了的机翼是一样的，在螺旋桨旋转的时候，前方的空气流过螺旋桨的流速比较大，压力小;而螺旋桨后方的空气流过螺旋桨的流速较低，压力较大，因此我们获得往前的推力，至于螺旋桨的外型看来被扭曲，这是因为螺旋桨不像机翼，机翼穿过空气时，从翼根(最靠近机身的地方)一直到翼尖(最远离机身的地方)流速都是相同且稳定的。而在螺旋桨以及直升机主旋翼的条件下，因为它们是旋转穿过空气的，所以，越靠外缘的翼面，流速会越快，越靠近中心的部分，流速会越小，同时由于自身旋转造成的涡流，中心的部分是不太能产生推力的，因此，在这两种状况下，主要的力量(不管是往上或者往前)都来自于靠近外缘的旋转时获得较高流速的部分，因此在设计上，靠近旋转中心的内缘与远离旋转中心的外缘，会设计成不太一样的截面，以获得最佳的推力与效率，就是螺旋桨以及旋翼机主旋翼在外型上有点扭曲不似一班飞机主翼那般平整的原因。 五(机翼与气流 经由前面所提到的伯努力定理，以及由其理论于机翼设计之应用，我们应该已经对于升力的轮廓，能有初步的认识，接下来，就是这个理论的延伸，「机翼与气流」。 我们在前一个单元中说到，升力之所以往上产生，就是因为坐在机翼下表面的压力因为流速的较慢而比作用在上表面的压力来的小，压力差就是升力了来源，在这的单元中，我们继续认识机翼与空气不同的相对运动方式，所产生的差异，还有这些差异造成的现象。 在说明这个单元之前，我们要先认识一些专有名词，好像开始有点难,不会， 其实很简单，现在，我们看上图，注意机翼的下表面是水平的，还有，机翼的上表面其实是不对偁的，机翼的前缘，比较圆润，后缘比较尖锐。我们先离题一下，这样的设计是为什么呢,因为当机翼与空气作相对运动的时候，它不是永远保持水平的，机翼角度常常会改变，所以为了要能够在不同的角度之下都能让气流平顺的被机翼切开，机翼的前缘就设计成圆润的线条，而后缘为了能让流经上下翼表面的气流能平顺的再度合流，所以设计成尖锐的线条。 我们再来认识刚刚说到要认识的几个专有名词。第一个是仰角，仰角是机翼与水平的夹角，注意一下我们的机翼是水平的，也就是说它的仰角是0 度。 如果把机翼转动一下，我们就可以获得不同的仰角。机翼前缘朝上转动，可以获得正的仰角(仰角的字面意义就是仰起的角度的意思)，机翼前缘向下转动，就获得负的仰角，或者可以说是俯角。有一点要注意的是，我们这边提到的仰角是机翼的仰角，不是飞机的仰角，飞机的仰角是飞机机身轴线与水平的夹角，虽然许多飞机的设计，机翼的轴线与机身的轴线平行，两者仰角相同，不过为了说清楚讲明白，我们还是要知道它们之间的不同。 认识完仰角之后，下一个是攻角。攻角顾名思义，就是攻击角度的意思，但是这不是说飞行器去攻击谁的角度。而是要把机翼相对于空气运动时，把空气切开的动作称为攻击，攻击角度就是机翼切开空气时的角度。简单的说，攻角就是机翼的轴线之方向与机翼运动方向之夹角。 我们用比较具体的方式说明，想象你握着一把刀，水平的握刀，水平的舞动，刀与空气就是在攻角为0 的状况作相对运动，如果你垂直握刀，水平舞动，刀与空气就是在作攻角为90 度的相对运动。这样应该比较清楚了，在机翼与空气的攻角为0 时，表示机翼的轴线与机翼移动的方向平行，也就是说机翼的仰角与机翼运动的方向的角度一样。而当机翼前缘向上转动至角度x，机翼的轴线就与水平夹x 度，此时若机翼仍然水平移动时，攻角就是x 度。 认识完仰角与攻角之后，我们顺便认识一下它们之间的关系。既然仰角就是机翼轴线与水平之夹角，攻角就是机翼的仰角与机翼运动方向角度的差。举例来说，一片机翼现在以10 度的仰角，水平前进，那它的攻角就是10,0 度 =10 度。而若是该机翼的仰角为10 度，但是机翼沿着与水平夹5 度角的延伸线前进，这时机翼的攻角就是10,5 度,5 度，参考下图，你一定能更清楚的知道他们彼此的关系。 为什么要花这么多时间认识攻角与仰角呢，因为它们对机翼的升力有绝对的影响。而且，若是不正确清楚的认识攻角与仰角的关系与其中的原理，对于吸收更深入的飞航知识来说，其实是不妥当的，任何事物都应该从最简单的地方开始认识，一但你从头到尾都清楚的知道一门学问的原理与因果关系，那么才有可能顺利的吸收更多更深入的知识。 接下来我们要来认识一下攻角与升力的关系，之前我们有提到，升力来自于机翼与空气相对运动时的压力差，我们也提到过，机翼与空气的相对速度越快，我们可以获得更大的升力，那么，是不是我们要获得更大的升力就一定要加速呢,试着想想，要是我们只能告加速上飞机往上升，只能告减速让飞机往下降，那不是很难控制吗,为了要能够再不同的速度条件之下，我们都能保有对飞机升降行为的控制，我们就要来利用这个攻角了。除了增加相对速度之外，其实我们还可以利用改变机翼的攻角，来改变空气在机翼上造成的升力的大小。 攻角与升力的成正比的关系，也就是说，攻角越大，升力也越大。当然，这句话不一定永远成立，在攻角太大的状况下，机翼的上翼面可能会因为过大的攻角形成紊流，紊流就是一种不稳定的流态，无法再翼面上形成稳定流线的空气状态，就是紊流。因为紊流的不稳定性，因此反而会对机翼上方产生极大的压力，因为此时空气可能不是流过机翼表面，而是可能会冲击机翼表面，此时，机翼会失去升力，也就是常常可以听到的失速。当攻角维持在不会产生紊流的范围内，我们只要增加攻角，就可以获得更大的升力，想反的，我们要减少升力，只要把攻角变小就好。现在我们知道，不只是相对速度，攻角大小也可以影响飞机升力的大小。但是同时，增加攻角会增加升力的原理以及改变攻角造成的其它影响，我们也要认识一下。 我们先来认识一下为什么增加攻角，升力会变大。我们从机翼的截面图中可以知道，当攻角增加时，空气流过上翼面的距离也会随之增加，同时，流过下翼面的距离就缩短了。回到一开始我们说过的流速与压力关系，流速越大，压力越小。再增加攻角后，上翼面的空气流过更长的距离，流速更大，压力更小;相对的，下翼面的空气流过更短的距离，流速更低，压力更大。除了这个影响之外，上翼面的气流会因为攻角的增加，而形成一个低压带，在这个低压带中，气压也比较低，而在机翼的下翼面，也会因为攻角的增加而形成一高压带，翼面上下的压力差就会因为这个现象而更为增大。下页图可以概略的表示出这些压力差的现象。 把上面我们提到的所有压力加在一起，我们就可以获得更大的升力，这就是改 变攻角会改变升力的原因。此外，增加攻角时，流过上、下翼面的气流，在离开翼面时，会因为翼面的角度而往下，造成一股下洗流，这股气流一样可 以造成升力。基于作用力与反作用力的定律，机翼给空气一股往下的力量，空 气就会反作用一股往上的力量。不过这股力量不大，对于升力来说，只是锦上添花，不是主要的升力来源。 接下来，我们用沙盘推演的方式，解说飞机在飞行过程中，升力、仰角与攻角之间的关系。这些关系的原理已经在前面的文章中说过，所以我们用实际的例子来认识，希望给大家一个比较具体的认识。 现在让我们从一架飞机从跑道头准备加速开始，我们知道，这时候是发动机产生的推力作用在飞机上，飞机因而获得往前的加速度。在飞机的升力不足以把飞机本身拉起来之前，起落架都会提供支撑着飞机的力量。随着发动机持续提供强大的推力，飞机的对空速度(注)持续的增加，飞机的升力也会一直增加。在飞机到达仰转速度(注)时，飞机的姿态受到飞行员的操纵而改变，大家一定有印象，飞机在加速到某程度之后，就会把机头拉高，接下来是很大的重点啰，再飞机往上把机头拉高之时，飞机本身还维持着在跑道上滑行的运动状态，也就是说，此时飞机是沿水平前进的(假设跑道是水平的话)，但是飞机的机翼跟随着机身的仰转而改变切开空气的角度，也就是攻角。 批注:飞机是一种与空气动力有密切关系的交通工具，所以我们在飞行的领域中，很少会用到对地面速度这个物理量，因为对飞机来说，这个速度时不具有空气动力意义的，对于飞机的性能与操纵表现有毫无关系，对地速度常常只会用在机舱的信息系统中，目的是让人知道飞机正在用极高的速度前往目的地，对驾驶而言，对地速度的意义甚至不及至目的地的剩余时间来的重要。 批注:仰转速度，vr，飞机加速至此速度时，飞行员操作飞机开始仰转。 随着机身的仰转，我们发现机翼的攻角也随之增加，飞机获得的升力也跟着加大。在持续的仰转过程中，我们暂分为三个阶段，第一个阶段，飞机初始仰转，此时升力急速增加，到达超过重力时候，飞机会开始离开地面。这是仰转过程中第一阶段与第二阶段的分界点，一但飞机的升力大于重力，飞机的爬升率就会开始增加，此时，飞机就不再是作水平运动了。由于飞机一边前进，一边开始爬升，因此飞机的移动角度是略为往上的，此时飞机的仰角就不再等于攻角。 在这过程中，我们假设一架飞机开始仰转后，在仰角到达10 度时离开地面，如果飞机一离开地面我们就控制仰角不再增加，维持在10 度的状态，随着飞机往上爬升，攻角反而会下降。这是为什么呢,因为在一样的仰角之下，飞机现在有往上爬升的速度，也就是说飞机的运动路线不再是水平的了，飞机的机翼的运 动方向与水平有夹角，由于攻角=仰角,飞机机翼与水平夹角，所以攻角在这过程中渐渐降低。飞机的升力也会降低，爬升率就会掉下去。(假设一商业运输客机起飞速度240km，初始爬升率每分钟1500 呎，可以知道飞机的运动路线与水平交约6.5 度。在仰角维持在10 度的条件下，此时攻角只剩下3.5 度，比起刚离开地面的时候，飞机的攻角下降了6.5 度之多)因此，在仰转的第二阶段，飞机持续的仰转，位的就是在飞机建立足够爬升率的过程中，仍然维持足够的攻角以获得足够的升力。这也是为什么飞机的仰转速度也要有加以限制的原因，用整体的角度来看，飞机从开始仰转，一连串的动作包括仰角的增加、升力的增加、爬升率的增加、爬升率增加时仰角的相对变小、持续增加仰角以维持攻角的过程，其实是互相影响的。仰转的太快，飞机的爬升率还没 有加上去，过度增加的攻角会造成失速;若仰转的太慢，飞机的爬升率已经增加的很大，过度缓慢增加的攻角会造成升力不足的状况。 到达飞机已经接近建立足够的爬升率时，(对商用民航机来说多半是每分钟3000 呎或以上)的水平，仰转的过程就进入第三阶段，此时飞机的仰角多半到达15-20 度水平，飞机的爬升角度多半是8-10 度的水平，因此攻角稳定的维持在8-10 度的水平(此数所指出的数字，是较多数大型商用航机的数字，许多不同机种之参考数字应以各机型之作手册为准， 另外要注意的是，在稳定爬升阶段时，飞机的攻角一定比离开地面时要小，这是因为离开地面时，飞机要增加爬升率，因此升力要大于重力，而在稳定爬升时，飞机只要维持爬升率，所以升力等于重力，攻角就不用那样的大，此外，由于飞机离地之后，仍然继续加速，所以在更高的速度下，只要相对更低的攻角，就可以获得与重力相同的升力，因此在稳定爬升阶段，随着飞机的加速，攻角是缓缓的下降的。 在说完以上这些攻角与升力的关系之后我们还要再认识一下攻角对其他物理量的影响，攻角的增加不只会影响到飞机的升力，它还会产生不同的阻力，这也是很重要的。 在机翼的攻角从0度渐渐增加的过程中，机翼迎向空气的面积也渐渐的增大，对机翼来说，此时会受到更大的空气阻力，不只是单纯的迎风面积增加，机翼攻角的增加，也会将机翼上所有压力总力的方向，从垂直方向变成略为向后，这个略为向后的力，我们分成水平与垂直两部分，当然，垂直往上的升力绝对是占很大的比例，但是水平往后的分力也不可忽视的增加的飞机的阻力。因此，在飞机增加攻角的过程中，除了有升力的改变支外，飞机受到的阻力也会改变。假设同机型、同高度、同样的负载与外型(注)，若是发动机送出一样的推力，带攻角飞行的飞机速度一定会比水平飞行的要来的慢。 批注:飞机的外型就是指飞机的外观上的状态，包括起落架收放、襟翼角度、与飞机的飞行姿态都包含在所谓的外型中。 六.发动机原理 目前一般民航机所配备的发动机，主要分成两种，其一是涡轮螺旋桨发动机、第二种是涡轮扇发动机。先来说说除了这两种之外的发动机，比较旧式的设计则是活塞螺旋桨发动机，其动力来源是与一般汽车类似的活塞引擎，只是几乎所有二次大战时及其以后的活塞螺旋桨发动机都有增压装置，以应付高空中稀薄的氧气，提高发动机的可作业高度。而活塞引擎直接带动的螺旋桨，就成了飞机的推力来源。即使加装了涡轮增加器，活塞引擎在稀薄高空的作业效率，仍然是不可 靠以及低效率的，因此现今除了少数小型飞机之外，几乎所有商用运输的机种都不再使用活塞螺旋桨作为动力来源。 与活塞螺旋桨外观类似的就是涡轮螺旋桨发动机了，虽然外观上类似，而且一样以螺旋桨作为推力的直接来源，不过，在产生动力的核心部分，涡轮螺旋桨与活塞螺旋桨可说时完全不同。说到这边我们要先认识一下涡轮发动机，涡轮发动机是利用转动的叶片将空气吸入、加压、注入燃料、点火膨胀，推动涡轮叶片产生动力的发动机形式，将涡轮发动机的转动能量经由减速齿轮带动螺旋桨(螺旋桨可难以承受涡轮发动机超高的转速)转动而产生动力的就是涡轮螺旋桨发动机。比起活塞螺旋桨发动机，涡轮螺旋桨在高空的性能良好是其主要受到青睐的原因，此外，涡轮螺旋桨发动机因为基本机械构造比较单纯，可动组件较少所以具有较优异的稳定性与可靠度，涡轮发动机在高空条件下优异的燃烧效率也可以为商用运输省下不少的燃料费用，降低营运成本。由于以上原因，商用运输市场上，现在已经可以说是见不到活塞螺旋桨发动机了。 除了涡轮螺旋桨发动机之外，另外一种先进发动机，就是涡轮扇发动机，顾名思义，它是结合了涡轮发动机与超级大电扇的特性的发动机。涡轮扇发动机也是以涡轮发动机为核心构造以及动力来源，不同的是，涡轮扇发动机不使用螺旋桨利用伯努利定理获得推力，涡轮扇发动机的核心也就是涡轮发动机，一样利用叶片吸入空气、压缩、注入燃料、点火、向后喷发以获得推力。而向后喷发的空气，在喷出之前，会先经过涡轮叶片，带动涡轮叶片高速转动，透过叶片的轴，带动发动机前方的叶片以吸入空气，再度压缩进入循环。而与涡轮螺旋桨发动机不同的是，涡轮扇发动机主要的推力来自于大量向后喷出的空气所构成的反作用力。由于要让大量的空气经过燃烧变成高温高压状态，因此在基本性能上，要获得一样的推力，涡轮扇发动机确实较涡轮螺旋桨发动机要用上更多的燃料，但是涡轮螺旋桨发动机是无法达到现在超大型机种所需要的巨大推力的，所以，涡轮扇发动机即使比较消耗燃料，还是现代空中运输的重要一角。 涡轮扇发动机演进至今，工程师也不断的为了创造更高的推力以及更加的燃烧效率而不断的努力创新，在这过程中，我们发现，在涡轮扇发动机的加压段(吸入发动机的空气被涡轮叶片压缩的部分)之前，把一部分的空气直接由燃烧段的四周流过，可以达成减少燃料消耗的功效，因为压缩进入燃烧室的空气变少了，我们也只要相对比较少的空气就可以让空气产生足够的燃烧与膨胀，而那些不被压缩进入燃烧式的空气，由于被前方的大型叶片往后吹，一样可以经由反作用力获得为数可观的推力。通过燃烧室四周直接向后吹的空气量与进入燃烧室的空气量的比例，称为旁通比(bypass ratio)。旁通比越高的发动机，代表的是越高的燃烧效率。 除了以上所说的之外，涡轮系列发动机之所以可以成为现在商用运输主流，不论是涡轮螺旋桨还是涡轮扇发动机，由于其核心动力来源都是涡轮，我们有必要了解一下涡轮的特性。基本上由于涡轮利用吸入空气加压并燃烧喷发作为动力来源，所以吸入空气的量，就决定了喷入的燃料的量。空气太多、燃料不够，那么发动机将无法点火。如果空气太少，燃料太多，会发生燃料烧不完的状况(因为氧气有限)，因此，涡轮发动机的一个特点，就是飞越高越省油，因为大气的高度越高，空气越稀薄，所以，当吸入的空气总量变少时，我们需要供应的燃料也相对变少。但是，在我们减少燃料的注入的同时，涡轮发动机还是可以经由燃烧空气获得的大量膨胀的能量，获得足够的推力。基本上，涡轮发动机的推力，与 吸入空气与喷发空气的总量当然有关系，不过受到高空空 气稀薄的影响，相对较小，涡轮发动机主要的推力来自于吸入与喷出的气体的压力差，因此，即使在空气稀薄的高空，吸入的空气量少的多，但是我们仍然可以用较少的燃料，获得足够让大型客机高速飞行的巨大推力