飛機(jī)飛行原理及實(shí)例分析-課程報(bào)告

封面華中師范大學(xué)航天與航空課程報(bào)告 報(bào)告題目飛機(jī)飛行原理及實(shí)例分析 學(xué)號(hào)2016210322____ 姓名胡夢(mèng)真 院系法學(xué)院 班級(jí)號(hào)2班

飛機(jī)飛行原理及實(shí)例分析摘要：自古以來，人類對(duì)于升空飛行有著無限的憧憬和祈盼。人類探索航空的過程是漫長(zhǎng)的，最初法國(guó)的羅齊爾和達(dá)爾朗德乘蒙特哥菲兄弟發(fā)明的熱氣球第一次升上天空，開創(chuàng)了人類航空的新時(shí)代。此后，人類開始了對(duì)于飛行器的研究，美國(guó)的萊特兄弟發(fā)明的帶動(dòng)力裝置的飛機(jī)第一次試飛成功，人類的航空事業(yè)開啟了嶄新的一頁。那么，飛機(jī)究竟是如何飛上天空的呢？本文將從飛機(jī)的定義，結(jié)構(gòu)，飛行原理以及具體舉例說明這一問題。關(guān)鍵詞：飛行原理，伯努利定理，機(jī)翼。“我們要做一個(gè)強(qiáng)國(guó)，就一定要把裝備制造業(yè)搞上去，把大飛機(jī)搞上去，起帶動(dòng)作用、標(biāo)志性作用。中國(guó)是最大的飛機(jī)市場(chǎng)，過去有人說造不如買、買不如租，這個(gè)邏輯要倒過來，要花更多資金來研發(fā)、制造自己的大飛機(jī)?！?-------------------------2014年5月23日，習(xí)近平在中國(guó)商飛設(shè)計(jì)研發(fā)中心考察調(diào)研時(shí)說道。相傳2000多年前，春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的魯班就曾削竹為鵲，“做木鳶以窺宋城”。公元前202年，劉邦集中韓信、彭越、英布等40萬大軍，把項(xiàng)羽圍困在垓下（今安徽靈壁縣），這時(shí)項(xiàng)羽兵力不過10萬，糧草也快吃完了。韓信為瓦解項(xiàng)羽的軍心，用牛皮制作了一只風(fēng)箏，下置善笛之人吹思鄉(xiāng)之曲，又命圍攻漢軍，高唱楚歌，其聲悲怨，動(dòng)搖了楚軍的軍心，留下了“四面楚歌”的歷史典故?！都t樓夢(mèng)》中薛寶釵所作之詩“好風(fēng)憑借力，送我入青云”。他們必然無法料到，幾百年后的今天，人類竟果真將自己的事業(yè)發(fā)展到了天空。二十世紀(jì)最重大的發(fā)明之一，是飛機(jī)的誕生。畢竟人類自古以來就夢(mèng)想著能像鳥一樣在太空中飛翔。在不到100年前，即使是最快的船只，也要用一個(gè)星期以上的時(shí)間橫渡大西洋。今天，大型的噴射機(jī)可以不超過七小時(shí)就飛完這個(gè)4800公里的航程。飛機(jī)是最快的交通工具，因?yàn)樗梢燥w越高山和海洋等障礙物。高功率的噴射引擎使最快的戰(zhàn)斗機(jī)達(dá)到每小時(shí)3200公里的速度——比聲音速度快三倍。甚至最普通的噴射客機(jī)速度也可達(dá)到每小時(shí)850公里。飛機(jī)能夠載重上百噸騰空而起，不但飛行速度快而且飛行距離長(zhǎng)，這恐怕是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最令世人驚奇的成就之一。據(jù)說，在太平洋的某些小島上居住的原始居民，他們至今還仍然供奉著一些形如飛機(jī)的偶像。他們認(rèn)為在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)天空中掠過的美軍飛機(jī)是天神派下來的使者，使他們感到敬畏。那么，飛機(jī)究竟是如何憑借風(fēng)力，飛升于青云之間？且聽筆者細(xì)細(xì)言之。何為飛機(jī)。（一）飛機(jī)的定義要明白飛機(jī)的飛行原理，首先要明了飛機(jī)的概念。對(duì)于飛機(jī)的定義問題，百度百科給出了以下解釋：飛機(jī)是指具有一具或多具發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力裝置產(chǎn)生前進(jìn)的推力或拉力，由機(jī)身的固定機(jī)翼產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)飛行的重于空氣的航空器。飛機(jī)是最常見的一種固定翼航空器。按照其使用的發(fā)動(dòng)機(jī)類型又可被分為噴氣飛機(jī)和螺旋槳飛機(jī)。這一環(huán)量最終產(chǎn)生的升力大小亦可由庫塔-茹可夫斯基方程計(jì)算：L（升力）=ρVΓ（氣體密度×流速×環(huán)量值）這一方程同樣可以計(jì)算馬格努斯效應(yīng)的氣動(dòng)力。升力的原理就是因?yàn)槔@翼環(huán)量（附著渦）的存在導(dǎo)致機(jī)翼上下表面流速不同壓力不同。以風(fēng)箏為例，風(fēng)箏在牽線的拉力下與風(fēng)向必須呈一個(gè)適當(dāng)?shù)慕嵌炔拍茱w起。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)如果風(fēng)箏和風(fēng)向成為直角，風(fēng)箏飛不起來，因?yàn)檫@時(shí)風(fēng)箏受的力只會(huì)是向后的，沒有向上的升力。如果風(fēng)箏和風(fēng)向是平行的，風(fēng)從風(fēng)箏上下兩面吹過，它仍然沒有升力，風(fēng)箏將在風(fēng)中飄落，這是斷線風(fēng)箏的情況。只有當(dāng)風(fēng)箏與風(fēng)向形成一個(gè)適度的銳角，風(fēng)在風(fēng)箏上形成了一個(gè)向后上方的力，風(fēng)箏才會(huì)冉冉升起。風(fēng)箏平面與風(fēng)向形成的夾角被稱之為迎角；風(fēng)在風(fēng)箏上產(chǎn)生的向后的力被稱之為阻力，向上的力被稱之為升力；總的合力被稱為空氣動(dòng)力。當(dāng)迎角為90度時(shí)，也就是風(fēng)向與風(fēng)箏平面垂直，這時(shí)的風(fēng)只產(chǎn)生阻力，你只能用手拉緊風(fēng)箏線，拉力與阻力平衡，風(fēng)箏才不至于被刮跑；當(dāng)迎角為0度時(shí)，風(fēng)箏基本不受風(fēng)力的作用，由于自身的重量它會(huì)逐漸飄落；只有在風(fēng)箏的迎角是處于一定的銳角時(shí)，這時(shí)的空氣動(dòng)力也就是風(fēng)的作用力變?yōu)橄蚝笙蛏系牧?，?qū)使風(fēng)箏升空遨游。此時(shí)的空氣動(dòng)力可以被分解為兩個(gè)力：向后的力是阻力，向上的力即升力。在升力的作用下，風(fēng)箏升空。風(fēng)箏的阻力通過牽線與手的拉力平衡，而升力則與風(fēng)箏的重力平衡，于是千姿百態(tài)的風(fēng)箏上升到一定高度后才會(huì)在蔚藍(lán)的天空中飄舞。人類若想借助風(fēng)箏升天的原理使自己也能飛上天，必須解決兩個(gè)很關(guān)鍵的問題：一是必須自己造出“風(fēng)”，不再受大自然的擺布；二是必須要制造出能夠控制迎角的平面，從而產(chǎn)生足夠的升力。怎么才能造出“風(fēng)”來呢?人類在苦苦思索很久后，終于在公元17世紀(jì)時(shí)由偉大的英國(guó)物理學(xué)家牛頓解決了這個(gè)難題。牛頓指出運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的。對(duì)于航空器來說，自然界的風(fēng)是因空氣相對(duì)于地面流動(dòng)而產(chǎn)生的，因此如果在沒有自然風(fēng)的狀況下，我們可以讓航空器自身首先運(yùn)動(dòng)起來，使空氣從它的周邊流過，從而產(chǎn)生出與自然風(fēng)效果相同的“人造風(fēng)”。與此同理，在沒有自然風(fēng)的天氣，如果有人牽著風(fēng)箏快跑，同樣也可以放飛風(fēng)箏。結(jié)論是：人類中聰明的制造者們只要能想出辦法讓航空器動(dòng)起來，就一定能造出托舉飛機(jī)升空的“風(fēng)”。對(duì)于使飛機(jī)升天的第二個(gè)關(guān)鍵問題的探索，也就是如何制造出可控的迎角平面、使飛機(jī)產(chǎn)生足夠的升力的問題，研究進(jìn)展比較緩慢。一直到1738年瑞士物理學(xué)家伯努利在研究流體(包括氣體和液體)的流動(dòng)時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了流體在流動(dòng)時(shí)壓力和流速的關(guān)系，這才從理論上闡明為什么重于空氣的物體可以升上空中的原因，即上述伯努利定律。下面再回到飛機(jī)本身來討論。飛機(jī)的升力絕大部分是由機(jī)翼產(chǎn)生，尾翼通常產(chǎn)生負(fù)升力，飛機(jī)其他部分產(chǎn)生的升力很小，一般不考慮。從上圖我們可以看到：空氣流到機(jī)翼前緣，分成上、下兩股氣流，分別沿機(jī)翼上、下表面流過，在機(jī)翼后緣重新匯合向后流去。機(jī)翼上表面比較凸出，流管較細(xì)，說明流速加快，壓力降低。而機(jī)翼下表面，氣流受阻擋作用，流管變粗，流速減慢，壓力增大。這里我們就引用到了上述兩個(gè)定理。于是機(jī)翼上、下表面出現(xiàn)了壓力差，垂直于相對(duì)氣流方向的壓力差的總和就是機(jī)翼的升力。這樣重于空氣的飛機(jī)借助機(jī)翼上獲得的升力克服自身因地球引力形成的重力，從而翱翔在藍(lán)天上了。例證之滑翔機(jī)。滑翔機(jī)是指不依靠動(dòng)力裝置飛行的重于空氣的固定翼航空器，起飛后僅依靠空氣作用于其升力面上的反作用力進(jìn)行自由飛行，大多沒有動(dòng)力裝置?？捎娠w機(jī)拖曳起飛，也可用絞盤車或汽車牽引起飛，還可從高坡上下滑到空中。在無風(fēng)情況下，滑翔機(jī)在下滑飛行中依靠自身重力的分量獲得前進(jìn)動(dòng)力；在上升氣流中，滑翔機(jī)可像老鷹展翅那樣平飛或升高?；铏C(jī)具有與飛機(jī)顯著不同的狹長(zhǎng)機(jī)翼（即較大的機(jī)翼展弦比），機(jī)身外形細(xì)長(zhǎng)，呈流線體。高級(jí)滑翔機(jī)的機(jī)翼展弦比可達(dá)30以上，在設(shè)計(jì)上趨向于駕駛員躺臥艙中，以便減小機(jī)身截面積。機(jī)體表面光滑，甚至打蠟，借以提高滑翔機(jī)的升阻比，減小滑翔飛行中的下滑角。人們常用滑翔比（滑翔中前進(jìn)距離與下沉高度之比）來衡量滑翔性能的優(yōu)劣。由滑翔飛行的平衡關(guān)系可知，滑翔比與升阻比相等?，F(xiàn)代高級(jí)滑翔機(jī)的升阻比最高已超過50。有的滑翔機(jī)機(jī)翼上還裝有可操縱打開的減速板，用于在必要時(shí)增加阻力，或是在著陸下滑時(shí)調(diào)整下滑角，以便在指定地點(diǎn)準(zhǔn)確著陸。動(dòng)力滑翔機(jī)裝有小型輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，不須外力牽引即可自行起飛，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定高度時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行基本的滑翔飛行。動(dòng)力滑翔機(jī)可提高訓(xùn)練飛行的效率和安全性。那么滑翔機(jī)的飛行原理是怎樣的呢，解釋如下：飛機(jī)必須以升力克服重力，以推力克服空氣阻力才能飛行。飛機(jī)產(chǎn)生升力是借助機(jī)翼截面拱起的形狀，當(dāng)空氣流經(jīng)機(jī)翼時(shí)，上方的空氣分子因在同一時(shí)間內(nèi)要走的距離較長(zhǎng)，所以跑得較下方的空氣分子快，造成在機(jī)翼上方的氣壓會(huì)較下方低。如此，下方較高的氣壓就將飛機(jī)支撐著，而能浮在空氣中。這就是所謂的伯努利（十八世紀(jì)荷蘭出生，后來移居瑞士的數(shù)學(xué)與科學(xué)家）原理。根據(jù)伯努利原理，飛機(jī)速度愈快，所產(chǎn)生的氣壓差（也就是升力）就會(huì)愈大，升力大過重於重力，飛機(jī)就會(huì)向上竄升。滑翔機(jī)沒有引擎的動(dòng)力，它可以靠四種方式升空：(1)彈射器—將滑翔機(jī)架設(shè)在彈力繩并向後拉，由駕駛員給予訊號(hào)後釋放繩索而彈射出去。(2)汽車拖曳—將滑翔機(jī)系繩於車上拖曳達(dá)適當(dāng)高度後，駕駛員將繩索松開。(3)絞車拖曳—與汽車拖曳相似，只是利用固定在地上以馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的絞車來拉滑翔機(jī)。(4)飛機(jī)拖曳—以另一部有動(dòng)力的飛機(jī)拖至一定的高度后，滑翔機(jī)脫離而自由翱翔?；铏C(jī)升空后，除非碰到上升氣流，否則空氣阻力會(huì)逐漸減緩飛機(jī)的速度，升力就會(huì)愈來愈小，重力大於升力，飛機(jī)就會(huì)愈飛愈低，最後降落至地面。為了讓滑翔機(jī)能飛得又遠(yuǎn)又久，它必需有很高的升力阻力比，這就是為什麼滑翔機(jī)的機(jī)翼那麼細(xì)長(zhǎng)，如何突破滯空時(shí)間以及飛行高度的紀(jì)錄是滑翔機(jī)設(shè)計(jì)與制造的最大挑戰(zhàn)?；枋且环N需要高度技巧與飛行知識(shí)，借助自然能量遨游天空的運(yùn)動(dòng)。結(jié)語自從萊特兄弟1903年第一次進(jìn)行了有動(dòng)力的飛行后，時(shí)間僅之過了70多年人類就突破了平流層，進(jìn)入到了外層空間。時(shí)至今日，世界上沒有哪個(gè)表面能躲過衛(wèi)星的窺視。達(dá)芬奇的夢(mèng)境和設(shè)想成為了現(xiàn)實(shí)。不忘初心，方得始終?？v觀我國(guó)的飛行技術(shù)發(fā)展史，許多年輕有為的科學(xué)家為我國(guó)航天科技的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，從古時(shí)期的萬戶敢于挑戰(zhàn)利用火箭飛行，再到馮如自制飛機(jī)在國(guó)際社會(huì)上進(jìn)行飛行表演，不斷的展現(xiàn)著我們中華民族強(qiáng)有力的民族精神以及創(chuàng)新精神。創(chuàng)新是一個(gè)國(guó)家進(jìn)步的靈魂，讓我們國(guó)家獨(dú)立自主開發(fā)研制的飛機(jī)飛上美麗的藍(lán)天，是我們每一位炎黃子孫的夢(mèng)想，也是我們每人心中的中國(guó)夢(mèng)，相信美麗勇敢的中國(guó)人能在未來開發(fā)出自己的一片飛行藍(lán)圖。參考文獻(xiàn)：顧誦芬主編.世界航空發(fā)展史