什么是空气动力特性?

什么是空气动力特性?

[拼音]：kongqi dongli texing

[外文]：aerodynamic characteristics

作用在飞行器上的空气动力和空气动力力矩随飞行器几何外形、飞行姿态（迎角、侧滑角等）、飞行速度、大气密度、空气粘性和压缩性等参数的变化规律，或空气动力系数随飞行器几何外形、飞行姿态、飞行马赫数、飞行雷诺数等参数的变化规律。空气动力特性是分析飞行器性能的最主要的依据。

空气动力

飞行器与空气相对运动时作用在飞行器表面上的压力、切向力的合力。为了便于研究，一般将空气动力沿平行和垂直于飞行器的运动方向分成升力、阻力和侧力三个分量（图1）。

升力

空气动力在飞行器纵向对称平面内垂直于飞行方向的、向上的分量。机翼是飞行器产生升力的主要部件。当飞行方向与机翼翼弦有一夹角（称为迎角或攻角）时，作用于机翼下表面的压力大于作用于机翼上表面的压力，从而产生升力。飞行器的机身和水平尾翼也能产生部分升力。

阻力

与飞行方向相反的空气动力分量。由空气粘性引起的作用在飞行器表面上的切向力所产生的阻力分量称为表面摩擦阻力。它的大小与飞行器表面边界层的状态有关，湍流边界层的表面摩擦阻力较大。流线型飞行器以亚音速飞行时，表面摩擦阻力是主要的。由于粘性引起边界层的存在，飞行器表面的压强分布在阻力方向有个分量，称为形状阻力。非流线型飞行器以亚音速飞行时形状阻力是主要的。以跨音速或超音速飞行时在飞行器周围会出现激波。飞行器表面的压强分布在阻力方向上有个分量，称为波阻力，简称波阻，它与激波所耗散的能量直接有关，在升力为零时所产生的波阻力称为零升波阻力。在跨音速飞行和低超音速飞行时零升波阻力是主要的，随着飞行马赫数(M)的增大，零升波阻力所占比重逐渐减少，而与升力有关的波阻力则逐渐增大而变为主要阻力。当机翼产生升力时，从机翼后缘向下游拖出尾涡（见旋涡），使沿机翼表面的压强分布在阻力方向有个分量，称为诱导阻力，它与尾涡所带走的能量直接有关。

形状阻力与表面摩擦阻力之和称为型阻力，简称型阻。伴随着升力而出现的阻力称为升致阻力，它包括诱导阻力、与升力有关的那部分波阻力和由于升力增加而引起形状阻力的增量。除升致阻力外，那些与升力无关的阻力之总和称为废阻力。降低飞行器各种阻力是提高飞行器性能的关键。

侧力

作用于飞行器上的空气动力在垂直于升力和阻力方向上的分量。一般规定指向右翼的侧力为正值。侧力是侧滑角所引起的，侧滑角即飞行方向与飞行器对称面之间的夹角。

升力与阻力之比称为飞机的升阻比或称气动效率。升阻比越大，飞机等速飞行时所需要的发动机推力越小。现代亚音速飞机的最大升阻比可达10～20，超音速飞机的最大升阻比约为此值的一半。

空气动力力矩

空气动力对飞行器重心（或其他力矩参考点）的力矩，沿机体坐标轴系可分解成俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩三个分量（图2 ）。

俯仰力矩

空气动力对飞行器横轴z的力矩，它主要是由升力和阻力所引起的。一般规定使机头抬起的俯仰力矩为正值。

滚转力矩

空气动力对飞行器纵轴x的力矩，它通常是由偏转副翼所产生的不对称升力所引起的。使右翼尖向下运动的滚转力矩规定为正值。

偏航力矩

空气动力对飞机立轴y的力矩，它主要是由侧力引起的，使机头向飞行员左方偏转的偏航力矩规定为正值。

空气动力系数

将空气动力和空气动力力矩分别除以1/2ρV2S和1/2ρV2SL所得到的无量纲值。这里ρ是飞行高度上的大气密度，V是飞行速度，S是飞行器的特征面积（对飞机一般取机翼的平面面积作为S），L是飞行器的特征长度，对俯仰力矩系数一般取机翼的平均空气动力弦长bA(见机翼空气动力特性)，对滚转力矩系数和偏航力矩系数一般取翼展l。 空气动力和空气动力力矩各有3个分量，因此相应就有6个空气动力系数：升力系数Cy、阻力系数Cx、侧力系数Cz、俯仰力矩系数mz、滚转力矩系数mx和偏航力矩系数my。

相似理论（见实验空气动力学）证明，空气动力系数仅与飞行器的外形、飞行姿态、飞行雷诺数、飞行马赫数等有关。因此，两个几何相似的飞行器只要飞行姿态、飞行马赫数、飞行雷诺数相同，它们的空气动力系数就是相同的。因此，利用飞行器模型在风洞内所测出的空气动力系数经过必要修正后，就可用来估算作用在大气中飞行的真实飞行器上的空气动力和空气动力力矩。

参考书目

B. W. McCormick， Aerodynamics， Aeronautics & Flight Mechanics，John Wiley & Sons，New York，1979.