空气动力学与飞行原理

航空职业教育“十三五”规划教材无人机应用技术专业系列空气动力学与飞行原理第3章飞行性能第3章飞行性能飞行性能飞机的飞行性能是评价飞行器优劣的重要指标，主要指飞行器的飞行能力，根据飞行器在飞行中的各种状态，一般可分为平飞性能、上升下降性能、起飞着陆性能、机动性能和特殊飞行性能等。飞机平飞、上升、下降指的是飞机既不带倾斜也不带侧滑的等速直线飞行，这是飞机最基本的飞行性能。第3章飞行性能3.1　平飞性能3.2　爬升和下降性能3.3　起飞和着陆性能3.4　机动飞行性能3.5　特殊飞行性能3.1平飞性能平飞性能飞机作等速直线水平的飞行，叫平飞。平飞过程中作用于飞机的外力有升力、重力、拉力（或推力）和阻力，如图3-1所示。为了克服飞机飞行过程中的飞行阻力，就需要发动机产生向前的推力，使飞机以一定的速度向前飞行，从而产生足够的升力，使飞机克服自身的重力并能在空中持续飞行。当飞机在空中飞行时，若飞机的升力等于重力，发动机推力等于飞行阻力，则飞机将沿水平直线方向维持稳定的平衡飞行状态。3.1平飞性能平飞时，飞机无转动，各力对重心的力矩相互平衡，且上述各力均通过飞机重心。为保持平飞，需要有足够的升力以平衡飞机的重力，为了产生这一升力所需的飞行速度，叫平飞所需速度。影响平飞所需速度的因素：（1）飞机重力。在其他因素都不变的条件下，飞机重力越大，为保持平飞所需的升力就越大，故平飞所需速度也越大。相反，飞机重力越小，平飞所需速度就越小。（2）机翼面积。机翼面积大，升力也大。为了获得同样大的升力以平衡飞机重力，平飞所需速度就小。反之，机翼面积小，平飞所需速度就大。（3）空气密度。空气密度小，升力也小，为了获得同样大的升力以平衡飞机重力，平飞所需速度就增大。反之，空气密度大，平飞所需速度就小，空气密度的大小是随飞行高度以及该高度的气温气压而变化的，飞行高度3.1平飞性能升高，或在同一高度上，气温升高或气压降低，空气密度都会减小，反之增大。（4）升力系数。升力系数大，平飞所需速度就小。因为升力系数大，升力大，只需较小的速度就能获得平衡飞机重力的升力。反之，升力系数小，平飞所需速度就大。而升力系数的大小又决定于飞机迎角的大小和增升装置的使用情况。迎角不同，升力系数不同，平飞所需速度也就不同。在小于临界迎角的范围内，用大迎角平飞，升力系数大，平飞所需速度就小，用小迎角平飞，升力系数小，平飞所需速度就大，即平飞中每一个迎角均有一个与之对应的平飞所需速度。增升装置的使用情况不同，升力系数大小也不同，平飞所需速度也不一样。在飞机的平飞性能中，飞行速度是最重要的性能之一。飞行速度，对军用飞机来说一般指最大平飞速度，而对民用飞机来说一般指巡航速度.3.1平飞性能3.1.1最小平飞速度最小平飞速度vmin，是指在一定高度上飞机能维持水平直线飞行的最小速度（由于发动机的性能和飞行高度有很大关系，所以在考虑飞机的飞行性能时，必须注意它的飞行高度），单位是km/h。最小平飞速度取决于飞机的最大升力系数CLmax，其值应略大于当飞机的升力等于重力时的飞行速度。对飞机来说，最小平飞速度越小越好，因为最小平飞速度越小，飞机就可用越小的速度接地，以改善飞机的着陆性能，这个速度对飞机的起降性能及飞机作低速飞行时的安全性有重要影响。式中：G为飞机重力；ρ为当地的空气密度；S为机翼面积。随着高度的增加，ρ将减小，故最小平飞速度将增加。3.1平飞性能3.1.2最大平飞速度最大平飞速度vmax是指飞机水平直线平衡飞行时，在一定的飞行距离内（一般应不小于3km），发动机推力在最大状态下，飞机所能达到的最大飞行速度，单位是km/h。它是一架飞机能飞多快的指标，要提高飞机的最大平飞速度，一是要减小飞机的飞行阻力，另外还要增加发动机的推力，但应注意随着发动机推力的增加，发动机本身重力和尺寸也随之增加，燃油消耗也增加，并导致飞机重力和空气阻力增大。而且，随着飞行速度的增加，当速度接近于声速或超过声速时，飞机上将产生激波，此时，飞机阻力将急剧增加。因此，不改变飞机的外形，想提高飞行速度是不可能的。3.1平飞性能3.1.3巡航速度巡航速度vcru是指发动机在飞行每千米消耗燃油量最小情况下的飞行速度。巡航速度显然要大于最小平飞速度，小于最大平飞速度。飞机以巡航速度飞行最经济。3.2爬升和下降性能3.2.1爬升性能飞机沿向上倾斜的轨迹所作的等速直线飞行就叫爬升。爬升是飞机取得高度的基本方法。爬升中作用于飞机的外力和平飞相同，有升力、重力、拉力（或推力）和阻力。飞机的爬升性能主要包括最大爬升角、最大爬升率、爬升时间和爬升限度。1.爬升角和爬升梯度爬升角是飞机爬升轨迹与水平线之间的夹角。爬升角越大，经过同样的水平距离后，爬升的高度越高。爬升高度与水平距离的比值，就是爬升梯度。飞机的剩余拉力（或剩余推力）越大，或飞机重力越小，则爬升角和爬升梯度越大。3.2爬升和下降性能3.2.1爬升性能2.爬升率和最快爬升速度在爬升中，飞机每秒所爬升的高度，称爬升率，也称爬升垂直速度。爬升率越大，明飞机爬升到一定高度所需的时间越短，飞机就能迅速取得高度。所以说，飞机的最大爬升率是飞机重要的飞行性能之一。剩余功率越大或飞机重力越小，则爬升率越大。因为飞机爬升的过程，实际就是将剩余功率变成势能的过程。在飞机重力不变的情况下，剩余功率越大，飞机在单位时间内增加的势能就越多，爬升率也就越大。在剩余功率一定的情况下，飞机重力越小，在单位时间内爬升的高度越高、爬升率也就越大。在重力一定的情况下，爬升率的大小主要决定于剩余功率的大小，而剩余功率的大小又决定于油门位置和爬升速度。在油门位置一定的情况下，用不同速度爬升，由于剩余功率大小不同，爬升率大小也就不同。对低速螺旋桨飞机，加满油门，在有利速度附近，剩余功率最大，所以用近似有利3.2爬升和下降性能3.2.1爬升性能速度的速度爬升，可以得到最大爬升率。3.爬升时间和爬升限度爬升率的变化决定于剩余功率的变化。所以，爬升率随飞行高度的变化，也就决定于剩余功率随飞行高度的变化。这就可以确定出飞机在各个飞行高度上的最大爬升率以及最快爬升速度。在额定高度以上，随着高度的升高，发动机的功率减小，可用功率减小，剩余功率随之减小。所以，最大爬升率随着高度的升高一直减小。既然最大爬升率随高度的增加而一直减小，那么爬升到一定高度，爬升率势必要减小到零。这时飞机不可能再继续爬升。爬升率等于零的高度称作理论爬升限度，简称理论升限。升限是一架飞机能飞多高的指标，当飞机爬升到某一极限高度时，发动机已没有剩余的能力使飞机高度进一步增加，飞机仅能以这一速度作水平直线飞行。3.2爬升和下降性能3.2.1爬升性能但在此飞行高度上，飞机稍受干扰或操纵不慎就可能降低高度，因此，又称此极限高度为理论升限。由于上述原因，飞机在实际飞行中不得不在稍低于理论升限的高度上飞行，以便具有一定的推力储备和良好的操纵性。一般规定，对应于垂直爬升速度为5m/s时的最大平飞高度为实际飞行的最大高度，此高度称为飞机的实用升限。飞机爬升到预定高度所需的最短时间，叫爬升时间。3.2爬升和下降性能3.2.2下降性能飞机沿向下倾斜的轨迹所作的等速直线飞行就称下降。下降是飞机降低高度的基本方法。下降中作用于飞机的外力和平飞相同，有升力、重力、拉力（或推力）和阻力。飞机的下降根据需要可用正拉力、零拉力或负拉力进行。拉力近似于零（闭油门）的下降叫下滑。飞机的下降性能主要包括最小下降角、最小下降率和最大下降距离。1.下降角和下降率下降轨迹与水平线之间的夹角称下降角。飞机每秒所降低的高度叫下降率。下降率越大，飞机降低高度越快，下降到一定高度的时间就越短。3.2爬升和下降性能3.2.2下降性能2.下降距离飞机下降一定高度所通过的水平距离，称下降距离。下降距离的长短，取决于下降高度和下降角。下降高度越高，下降角越小，下降距离就越长。以有利迎角下降，因升阻比最大，下降角最小，故下降距离最长。能获得最大下降距离的下降速度，叫作最大下降距离下降速度。零拉力下滑时，最大下滑距离速度就等于有利速度。凡是使升阻比减小、下降角增大的因素都将使下降距离缩短。例如，在放起落架、襟翼，飞机结冰等情况下，升阻比减小，下降角增大，下降距离缩短；飞机用负拉力下降时，下降角增大，下降距离缩短。飞行中常可根据滑翔比的大小来估计下降距离的长短。滑翔比是下降距离与下降高度之比，即飞机每降低1m高度所前进的距离。在高度一定的情况下，滑翔比越大，下降距离就越长。在无风和零拉力的情况下，滑翔比就等于飞机的升阻比。3.3起飞和着陆性能飞机的起飞和着陆是两个重要的飞行状态，起飞着陆性能的好坏有时甚至会影响到飞机能否顺利完成正常的飞行任务。飞机的起飞着陆性能指标可以概括为两部分：一是起飞和着陆的距离，二是起飞离地和着陆接地时的速度，后者除了影响起飞和着陆距离外，还关系到起降安全飞机从开始滑跑到离开地面，并升到一定高度的运动过程，称作起飞。飞机的起飞过程是一种加速飞行的过程，它包括地面加速滑跑和加速离地并爬升到安全高度两个阶段，图3-2所示为飞机的起飞过程。3.3.1飞机的起飞性能图3-2飞机的起飞过程3.3起飞和着陆性能飞机起飞前停在起飞线上，驾驶员踩住刹车加大油门到最大转速状态后，松开刹车使飞机加速滑跑。当加速到一定速度时，驾驶员拉起驾驶杆，使飞机抬头增加迎角，当升力等于重力时飞机开始离开地面，此时所对应的速度为离地速度。随着升力进一步增加，飞机加速上升，当飞机上升到安全高度h时，起飞过程结束，此时飞机所飞越（包括滑跑）的地面距离即为飞机的起飞距离。飞机的起飞距离越短越好。为了缩短飞机的起飞距离，可以采用增升装置来增大升力；也可以增加推力来加速，如可以采用助推火箭增大推力，缩短加速所需时间。另外，对于舰载机还可以采用弹射起飞的方法缩短起飞距离。3.3起飞和着陆性能图3-3所示为助推火箭加速器，其本身是一个或几个固体火箭发动机（又称助推火箭），通常挂在机翼或机身下面，它能产生较大的推力，大大缩短飞机起飞距离。有些无人机没有起落架，就是靠火箭助推起飞，然后使用机上发动机继续飞行。助推火箭工作时间很短，工作完毕后即可抛掉。图3-3助推火箭加速器3.3起飞和着陆性能图3-4所示为舰载机的飞行甲板，在航空母舰长一百多米的起飞甲板上，一般的舰载机很难靠自身的发动机起飞，因此常用蒸汽弹射装置帮助起飞。该装置主要是利用航空母舰上的高压蒸汽推动蒸汽作动筒的活塞，在活塞巨大推力的作用下，活塞上的牵引钩牵引着飞机沿着弹射导轨加速，使飞机迅速达到起飞速度离开甲板而起飞，图3-5所示为航空母舰甲板上的蒸汽弹射器的导轨图3-4航空母舰的飞行甲板1—拦阻索；2—升降机；3—应急阻拦网；4—弹射装置图3-5蒸汽弹射器导轨3.3起飞和着陆性能3.3.2飞机的着陆性能飞机从一定高度下滑，并降落到地面进行滑跑直至完全停止运动的整个过程，称着陆。飞机的着陆过程是一种减速飞行的过程，它包括下滑、拉平、平飞减速、飘落触地和着陆滑跑五个阶段，图3-6所示为飞机的着陆过程。图3-6飞机的着陆过程飞机从安全高度h下滑时，发动机处于慢车工作状态，襟翼打开到最大角度，飞机以接近等速直线下滑。当接近地面时，驾驶员应将飞机拉平，然后保持在离地1m左右进行平飞减速。随着飞行速度的减小，驾驶员应不断拉杆使迎角增大，以使飞机缓慢地降低高度。当升力不足以平衡飞机重力时，飞机开始飘落，并以主轮接地，此时3.3起飞和着陆性能对应的速度就是着陆接地速度。飞机接地后，速度进一步降低，并进入滑跑阶段，此时驾驶员可以采用刹车等操作使飞机继续减速，直到飞机完全停止。飞机在着陆过程中所飞越（包括滑跑）的地面距离为着陆距离。飞机的着陆速度越小，着陆距离越短，着陆性能就越好，飞行安全性也越高。为了提高飞机的着陆性能，除有效地使用刹车装置外，还可以采用反向推力装置产生反向推力，也可以通过打开扰流片、阻力板或减速伞等来增加阻力。图3-7所示为飞机着陆时采用的减速伞（阻力伞），它用增大空气阻力的方法使飞机减速。减速伞由主伞、引导伞、挂扣、钢索和伞袋等组成，主伞通过钢索、挂扣与机身尾部专用挂钩连接，并收入尾部伞舱内。飞机着陆后，飞行员打开伞舱门，引导伞弹出，在空气阻力作用下打开并拉出主伞，主伞打开产生很大的空气阻力，使飞机减速。在飞机滑跑的后段，速度降低，减速伞的作用不大，应即时抛掉，避免在地面拖坏减速伞3.3起飞和着陆性能图3-7减速伞3.4机动飞行性能飞机的机动性是指飞机在一定时间内改变飞行状态（速度、高度及飞行方向）的能力。对飞机机动性的要求，取决于飞机要完成的飞行任务。在夺取空战优势时，飞机的机动性起着相当重要的作用，所以机动性是军用飞机重要的战术指标。对于战斗机而言，要求空中格斗，对机动性要求就很高。对于运输机，一般不要求在空中作剧烈动作，机动性要求就低。通常用加速度来表示飞机的机动性：水平加速度，表示速度改变的快慢；法向加速度，表示飞行方向改变大小；垂直加速度，表示飞行高度的改变。一般常用过载来表示加速度，飞机的过载是指飞机所受除重力之外的外力总和与飞机重力之比。除特殊情况外，一般只考虑垂直方向上的过载。垂直方向上的过载可以表示为飞机升力与飞机重力的比值，即式中，L为飞机的升力，G为飞机的重量。飞机机动性设计要求越高，过载ny就要求越大，高机动性要求的飞机，过载可高达9左右，这就要求飞（3-2）3.4机动飞行性能机结构应能够承受相应的载荷。飞机的机动飞行性能，按机动特性划分，可分为速度机动性、高度机动性和方向机动性。按飞机运动轨迹划分，可分为垂直平面内的机动飞行、水平平面内的机动飞行和空间机动飞行。下面从机动特性方面进行介绍速度机动性就是飞机的平飞加减速性能。通常用从一个平飞速度加速（或减速）到另一个平飞速度所需的时间来衡量飞机平飞加减速性能的优劣。飞机增加或减小一定的速度所需的时间越短，表明加减速性能越好。现代喷气式飞机的最大速度不断提高，平飞速度范围日益扩大，加减速的幅度也随之增大，因此，对飞机的速度机动性提出了更高的要求。通常把从0.7Vmax加速到0.9Vmax的时间，作为加速指标。把从Vmax减速到0.7Vmax的时间，作为减速指标。3.4.1速度机动性3.4机动飞行性能为了提高飞机速度机动性，现代喷气发动机一般都有加力装置，同时飞机上也设有减速装置。有的飞机上还装有火箭加速器，使用加力装置或火箭加速器，飞机的加速性能就大大提高；放出减速板，飞机的减速性能就得到了提高。飞机在空中改变高度的能力，称作飞机的高度机动性。高度机动性的好坏，通常用单位时间内飞行高度变化的多少来衡量，飞行高度改变得快，表明高度机动性好。俯冲和跃升是同时改变速度、高度的机动飞行。通常，可将整个跃升、俯冲飞行过程分为进入段、直线段及改出段，如图3-8所示，其中筋斗亦可看成是由进入跃升段到改出俯冲段等几段所组成。3.4.2高度机动性3.4机动飞行性能3.4.2下降性能1.俯冲俯冲是飞机将势能转化为动能、迅速降低高度、增大速度的机动飞行，作战飞机常借此来提高轰炸和射击的准确度。俯冲过程分为进入、直线和改出俯冲三个阶段，如图3-8所示。在急剧俯冲时，为了防止速度增加过多和超过相应高度的最大允许速度，必须减小发动机推力，有时需放下减速板。改出俯冲后的高度不应低于规定的安全高度。从俯冲中改出时，飞行员应柔和并有力地拉杆，增大迎角，使升力大于重力第一分力，构成向心力，迫使飞机向上作曲线运动。这时的过载ny，甚至会达到9～10，对飞机结构和飞行员造成严重影响。所以，俯冲速度不应过大，改出不应过猛，以免造成飞机结构损坏或飞行员晕厥的事故。使用中的ny，一般不允许大于8。3.4机动飞行性能3.4.2下降性能2.跃升跃升是将飞机的动能转变成势能，迅速取得高度优势的一种机动飞行。跃升性能的好坏由跃升增加的高度ΔH及所需的时间来衡量，如图3-8所示。飞机在作跃升机动后的高度可大大超过飞机的静升限（静升限是指飞机能作水平直线飞行的最大高度）。例如，某型战斗机的实用升限为19500m，当在13500m高度上以Ma2.05的速度进行跃升后，飞机可达到23000m的高度。通过跃升可达到的最大高度为飞机的动升限。3.4机动飞行性能3.4.2下降性能3.筋斗飞机在垂直平面内作轨迹近似椭圆、航迹方向改变360°的机动飞行为筋斗飞行，如图3-8所示。筋斗飞行由爬升、倒飞、俯冲、平飞等动作组成，它是衡量飞机机动性的基本指标之一，完成一个筋斗所需的时间越短，机动性越好。要实现筋斗飞行，飞行员应先加大油门，增加速度，然后拉杆使飞机曲线上升；飞过顶点后，减小油门，继续保持拉杆位置，飞机开始曲线下降，最后改为平飞。翻筋斗时，过载可达到6。图3-8俯冲、筋斗和跃升飞行3.4机动飞行性能3.4.3方向机动性方向机动性是飞机在空中改变方向的能力。飞机在改变方向时，最常用的机动动作是盘旋，所以盘旋的半径及盘旋一周的时间，常用来作为衡量飞机方向机动性的标志。盘旋半径越小，盘旋一周的时间越短，表示飞机方向机动性越好。通常所说盘旋是指飞机连续转弯不小于360°的飞行。盘旋中，飞机可以带侧滑，也可不带侧滑；飞机速度及盘旋半径可随时间而变，也可不随时间而变。在各种盘旋情况中，不带侧滑、飞行速度及盘旋半径不随时间变化的叫作正常盘旋，具有一定的代表性。下面讨论飞机在水平面内的盘旋。飞机在水平面内作等速圆周飞行，称作盘旋飞行，如图3-9所示。通常情况下，坡度（指飞机倾斜的程度）小于45°时，称作小坡度盘旋；坡度大于45°时，称作大坡度盘旋。盘旋和转弯的操纵动作完全相同，只是转弯的角度达不到360°而已。3.4机动飞行性能3.4.3方向机动性盘旋一周所需的时间越短，盘旋半径越小，飞机的方向机动性就越好。在作战时，希望盘旋半径越小越好，这时就要尽量使飞机倾斜加大坡度，以增大使飞机作曲线运动的向心力。在盘旋中，为了保持在垂直方向上升力与重力的平衡，维持高度不变，当改变坡度时，需要相应地改变升力的大小，坡度越大，则所需的升力也就越大，飞机的过载也就越大。表3-1所示为在不同坡度盘旋时飞机所对应的不同的过载。表3-1不同坡度盘旋时飞机的过载3.4机动飞行性能3.4.3方向机动性从表3-1中可以看出，当飞机以80°的坡度盘旋时，升力增大到飞机重力的5.76倍，此时飞机结构和飞行员所受的力也相应增大。由于过载的限制，飞机速度越大，盘旋半径也将越大。例如，美国的SR-71侦察机，当飞行速度为3529km/h时，其盘旋半径可达193km。飞机飞行时除了有平飞加减速、俯仰、筋斗、跃升和盘旋等最基本的常规机动动作外，随着飞机飞行性能的提高，对于现代先进战斗机还可以完成横滚、战斗转弯、过失速机动等动作。横滚动作是飞行表演和空中格斗中的常用动作，并常常与其他动作伴随完成。首先根据飞机机型、动力情况等选择进入动作的速度，当速度过低时进入动作可能导致失速，而速度过高时进入动作则可能导致对飞机气动舵面和机体结构的伤害。通过俯冲、爬升以及控制油门等方式进入到合适的速度区间后，可以开始动作。此时飞机处于平飞状态，轻轻拉杆，使飞机3.4机动飞行性能3.4.3方向机动性具有10°～30°的仰角（仰角的大小随机型不同而异，此时飞机将有一定程度的爬升）。向左侧或右侧压杆，飞机将开始滚转，随着滚转倾角变大，飞机将渐渐失去升力开始下降高度，补偿刚刚拉杆带来的爬升。当飞机滚转到垂直尾翼（简称垂尾）朝向下方时，主翼面的迎角尚能提供一些升力，如有必要可适当推杆维持迎角，转过180°接近完成时，适当向反方向压杆，补偿惯性并在平飞状态结束动作。滚转过程往往带来飞机偏航，有时飞行员需要向偏航方向的反方向蹬方向舵以补偿偏航。战斗转弯是指同时改变飞行方向和增加飞行高度的机动飞行。如图3-10所示，在空战中为了夺取高度优势和占据有利方位，常用这种机动飞行动作。除了采用典型的操纵滚转角的方法外，为了缩短机动时间还可采用斜筋斗方法进行战斗转弯。战斗转弯时，过载可达3～4。3.4机动飞行性能3.4.3方向机动性过失速机动是指飞机在超过失速迎角的大迎角状态下，仍然有能力对飞机的姿态做出调整，实现快速机头指向，完成可操纵的战术机动。其主要作用是瞬间使飞机占据有利位置，改变敌我攻守态势3.5特殊飞行性能在飞机的飞行过程中，还存在另外一个问题，即飞机能飞得多远多久的问题，也就是飞机持续航行的性能，简称续航性能。飞机的续航性能是飞机性能的重要指标，其直接影响到飞机的活动范围、持久作战能力以及经济性等指标。飞机的续航性能包括航程和航时两个方面。航程是指在载油量一定的情况下，飞机以巡航速度（不进行空中加油）所能飞越的最远距离。它是一架飞机能飞多远的指标，轰炸机和运输机的航程是设计中最主要的性能要求。提高航程的主要是减小发动机的燃油消耗率，增加飞机的最大升阻比。在飞机总重一定的情况下，减小结构重量，增加飞机载油量也可以增大航程。另外，还可以通过安装可投掉的副油箱来增加飞机的航程。航时是指飞机耗尽其可用燃料量在空中所能持续飞行的时间。在一定的装载情况下，航程越大经济性越好，作战性能越佳。整个飞行3.5特殊飞行性能过程可分为上升段、巡航段和下滑段。远程飞机的巡航段占航程的绝大部分。航程与活动半径的大小可以表明飞机运输和作战范围的大小，航时长表明飞机可在空中长时间进行巡逻和作战。第3章飞行性能第3章飞行性能结束