在学习航空理论时,有一些定义(Definitions)必须先有所了解,才能在后续的学习中不至于搅浑概念。
前两篇主要介绍了飞机的翼型和升力等基础性概念,这一篇主要介绍和飞机升力有关的角度。
与飞机升力有关的最重要角度有:攻角、俯仰角和爬升角。
一,攻角
攻角 (Angle of attack,简称AOA),指的是飞机机翼 弦线 (Chord line)与 相对风 (空气流场向量)的夹角。
攻角是英文的直译,中国翻译为 迎角 ,我个人觉得中国的翻译最贴近物理学含义,因为迎角就是相对于机翼的前进方向(相对于气流的方向)与机翼弦线的夹角,它是确定机翼在气流中姿态的最重要参数。
01,攻角与升力的关系
升力是一种机械力 ,它是通过固体和流体相互作用和接触产生的速度差而形成的, 没有运动就没有升力 。
攻角产生机翼上下洗的压力差,也就是机翼吸力面和压力面之间的压力差而产生升力(后面篇幅将详细介绍空气动力学原理)。
飞机要获得升力,主要依靠机翼,而翼型必须要有攻角或弯度,有弯度的翼型,其零升力攻角不为零,也就是说攻角在0度时,有中弧线的翼型才有升力。
而对称翼不具有中弧线,所以在攻角为0度时没有升力,必须要有攻角,翼型才能提供升力。
升力大小跟攻角和速度的大小成正比,由于攻角增大而使升力增大,如果是由于速度增大导致升力增大,那么攻角不但不增大而且会减小。
升力的方向大约垂直于弦线 ,攻角改变升力的方向也改变,平飞时垂直分量等于重力,飞机开始爬升。带杆抬头,攻角增大,升力增大。攻角不变 ,速度增大,升力也增大。
攻角的大小也是可以改变的,通常民航或通航飞机的攻角设定不超过17度,而战斗机的攻角则更大。
02,入射角
入射角 (Angle of incidence),指的是飞机 纵轴线 与机翼 弦线 之间的夹角。
在飞机设计时就根据不同用途的飞机以及翼型来确定飞机的入射角,通常机翼安装在机身两侧,机翼的chord line(弦线)稍微上扬,与relative wind(相对风)有个夹角,这个角就叫angle of incidence(入射角)。
入射角中文通常翻译成装置角或 安装角 ,意思是飞机安装时就拥有固定的攻角。这样飞机在起飞和飞行时不必打水平控制面,就可以有额外的作用力协助稳定飞行。
例如我平时练习的Cessna-172 skyhawk(塞斯纳172天鹰),入射角就设定在6度。
由于机翼设计Wing twist(机翼扭曲)能够使翼尖保持水平时,翼根有些angle of incidence,翼根就具有比翼尖先失速的特性存在,当翼根Stall(失速)的时候,飞机还能够保持控制(关于失速在后面篇幅专门讲解)。
03,攻角、升力、阻力的关系
影响飞机 升力 的主要因素一是 攻角 ,二是 飞行速度和空气密度 ,三是 机翼面积 。机翼产生的升力取决于机翼形状,机翼面积和飞机速度。
飞机大部分升力是由机翼产生的,而升力是垂直于飞行方向的力。
飞机攻角不同升力系数也会改变。攻角增加,升力系数呈现直线上升,但是攻角达到某个角度时,空气无法沿着机翼上方流动,升力系数就不会继续上升。
当 升力系数超过最大值时 ,升力会急速减少,阻力会急速增加,使得飞机成为 失速状态 。如下图:
飞机生成的阻力取决于飞机的大小。 阻力也是一种空气动力 ,因此取决于机体在空气中移动时机体周围空气的压力变化。
总的空气动力等于压力乘以机体周围的表面积。阻力是沿着飞行方向力的组成部分。像其他气动力一样,升力阻力与物体的面积成正比。
阻力主要分为两种:
一是机翼产生升力时衍生的 诱导阻力 (Induced drad),低速时飞机要产生升力,需要较大的攻角,因此也会产生较大的诱导阻力,速度越低,阻力越大,升阻比越小。
二是因空气和飞机的相对运动产生的 寄生阻力 (Parasite drag),高速飞行时的阻力以寄生阻力为主,速度越高,阻力越大,升阻比越小。
另外造成阻力的因素还有压力阻力、摩擦阻力、形状阻力、造波阻力、干扰阻力等。
影响阻力大小主要是机翼的形状和倾角,阻力的大小决定阻力系数的大小。升阻比(L/D)是指飞机在同一攻角下升力与阻力的比值,飞机的 升阻比越大,其空气动力性能越好。
最大升阻比的速度一般会在阻力最低速度及升力最大速度之间,所以最大升阻比的速度等于巡航速度。
二,爬升角
爬升角 (angle of climb),爬升角是飞机 上升轨迹与水平线 之间的夹角。
我们平时在机场,看到飞机在跑道上滑行,然后仰起机头与跑道形成的角度主要是爬升角。
飞行学校教练授课中
01,爬升角
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(推力)和阻力。
飞机爬升角越大,说明经过同样的水平距离后,上升的高度越高。上升高度与水平距离的比值,就是上升梯度。飞机的剩余拉力(或剩余推力)越大,或飞机重量越轻,则上升角和上升梯度越大。
如果爬升角为 负 ,也叫 下降角 。
02,爬升率
爬升率 (Rate of climb),是指飞机升高海拔的速度,飞机降低海拔的速度称为下降率。
飞机的爬升率与机翼的翼载荷、发动机的推重比以及载重量等因素相关。例如我平时飞行练习的塞斯纳教练机,有次后面加坐了2个人,明显感觉起飞爬升时较平时缓慢。
战例:【 战地日记 】第二十章记载:1955年1月10日,阴,杭州笕桥。12:25,空20师张伟良副师长率领28架杜-2轰炸机起飞,由于 载弹量达到极限, 加上跑道结冰, 飞机滑行到跑道顶端才拉起升空 ......
分析如下:杜-2轰炸机的爬升率为8.2米/秒;翼载荷220千克/平方米;推重比0.31;载弹量3000千克。
1,当载弹量达到极限时, 重力将导致滑行速度变慢 ,速度慢则升力降低,只能通过增大速度获得升力,而重载飞机起飞阶段要获得加速度,必须加大滑跑距离,如果滑跑距离不够,可能造成升力不够,无法起飞。
2,杜-2轰炸机采取 双尾翼 设计,双尾翼在飞行中可以减小侧滑时产生的滚转力矩,提高大攻角时的航向稳定性,但是也 增大了阻力 ,消耗了起飞时的升力。
三,俯仰角
俯仰角 (pitch angle,nose up or down),指的是机体坐标系 X轴 与 水平面 的夹角。
当机体坐标系的X轴在惯性坐标系XOY平面上方时,俯仰角为正,否则为负。即平行于机身轴线并指向飞机前方的向量与地面的夹角。
01,飞行坐标系
飞行器各角度都可以归结为 坐标系之间的几何关系 ,要想表达俯仰角等角度,必须先确定坐标系。
飞行中最常用的坐标系有: 本体坐标系 、当地铅垂坐标系、气流坐标系和航迹坐标系(坐标系以后篇幅会专门介绍)。确定了这些常用的坐标系之后,就可以定义角度了。
上图的 Y轴 ,也称为横轴(Leteral axis),决定着飞机的 俯仰 角度(Pitch)的变化。
俯仰角作为飞行术语,本文以本体坐标系为基础,做一个简单的介绍,在后面的篇幅会对坐标系和各个轴以及角度之间的关系做详细论述。
02,俯仰角
俯仰角 (Pitch angle)= 爬升角 (Angle of climb)+ 攻角 (Angle of attack)。
俯仰角可以简单的定义为:机体轴(沿机头方向)与地平面(水平面 )之间的夹角,飞机抬头为正。
如果以机体坐标纵轴(Longitudinal axis)角度来定义:俯仰角就是机体坐标系X轴与水平面的夹角。当X轴的正半轴位于过坐标原点的水平面之上(抬头)时,俯仰角为正,否则为负。
【关于超临界攻角和俯仰角的特例】
前文提到 超临界攻角 会造成飞机进入 失速 状态,但是由于现代飞机的气动设计和发动机的强大推力,使得飞机能做出一些非常规的动作。
眼镜蛇机动 又叫普加乔夫眼镜蛇,是前苏联飞行员普加乔夫在1988年6月的巴黎航展上,驾驶苏-27战机第一次在全世界面前表演了完整的眼镜蛇机动,表现了飞机良好的气动性能和发动机的强大推力,震惊了全场!
眼镜蛇动作就是一架战机在中低速飞行时突然将飞机攻角抬起至90°以上,仰角达到130°左右,持续1~2秒后压低机头,恢复正常飞行。整个动作中飞机将攻角抬起至最大时,和眼镜蛇抬起头是非常相似的,故而这个动作得名眼镜蛇动作。
这种 超过失速攻角 的逆天机动动作,靠的是它非常优秀的大攻角飞行稳定性,但是在这个动作过程中,苏-27战斗机的飞行员对战机是基本不可控的,只有等战机压低机头后才能对战机进行重新有效操控。而在狗斗作战中,飞行员短暂失去对战斗机的控制,其影响也很可能是致命的。
【Aircraft Maneuvers for the Evaluation of Flying Qualities and Agility, Vol III Simulation Data】美军在评估飞行质量和敏捷性的飞行操纵一文中评价如下:你不能只做眼镜蛇机动,眼镜蛇机动本身没有什么战术价值......抬起机头以后,还需要把机头向左或向右,这才是一个有用的机动。
......例如著名的 J-转弯(Herbst Reversal,赫伯斯特壁蹬),作用是在两机交汇后迅速转向180度。前半部分跟眼镜蛇差不多,但是机头并不回落,而是向侧滑落,飞机像是在墙壁上蹬了一脚,迅速转弯......
在2018年珠海国际航展的开幕式上,歼-10B推力矢量验证机以三个非常经典的超机动飞行动作,体现了涡扇10B推力矢量发动机的澎湃动力和完美操控。首先是表演了 眼镜蛇机动 ,还有 落叶飘 动作,这个曾经是俄罗斯苏-35战机的拿手好戏,类似于香港武打电影里的 花拳绣腿 。
而真正能一拳致命的是歼-10B的最后一套组合拳,也就是上面提到的 J-转弯(J-Turn)动作, 就是战机平飞时突然在几秒内完成180度回转,大角速度偏航机动,就像是一辆赛车在进行漂移。这个动作具有极大的实战价值,战机转弯角速度极高,转弯半径极小,几乎不掉高度,能量没有损失。能在瞬间获得180度的可控转向,可以迅速咬住对手,被空战老手称之为 死亡甩尾。
具有推力矢量系统歼-10B的“J-转弯”动作,无论在进攻还是防御态势中,都是一种极为有效的战术动作,能够迅速调整战机姿态,给对手致命一击,这才是中国航空工业的 葵花宝典 。
【综 上】
升力是一种机械力,它是通过固体和流体相互作用和接触产生的速度差而形成的,没有运动就没有升力。
攻角产生机翼上下洗的压力差,也就是机翼吸力面和压力面之间的压力差而产生升力(后面篇幅将详细介绍空气动力学原理)
本人一边在学习飞行和航空理论,一边在写文章,也算是复习的一种方式。这种Import and wholesale(进口与批发)的销售模式,难免会产生错误,敬请各位指正。
(谢谢阅读)