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飛機(jī)飛行的基本規(guī)律

關(guān)于飛機(jī)為什么和怎么樣飛起來的基本規(guī)律,從萊特兄弟的第一架飛機(jī)到現(xiàn)代的隱形轟炸機(jī),從遙控飛機(jī)到真飛機(jī),其實(shí)都是一樣的。雖然飛機(jī)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜,但我們完全可以把它簡(jiǎn)化成我們能理解的樣子,從而至少知道怎樣把飛機(jī)飛起來。

1.空中受力

基本上只有四種空中受力:升力、阻力、動(dòng)力和重量。

簡(jiǎn)單而言,阻力是空氣對(duì)的機(jī)身向后推力,動(dòng)力是馬達(dá)提供的向前推力,升力是空氣提供的向上的托力,而重量使飛機(jī)向下沉。所以,飛機(jī)要飛起來并在空中滯留,動(dòng)力必須大于阻力,而升力必須大于重量。誠(chéng)如您所見到的那樣,動(dòng)力和阻力作用相反,而升力和重量作用相反。

當(dāng)然,上面講的,是起飛或爬升時(shí)的情況。但是,當(dāng)飛機(jī)水平直飛時(shí),升力應(yīng)該和重量相當(dāng)。在下降過程中,重量超過升力。而要使飛機(jī)慢下來,阻力必須克服動(dòng)力。下圖展示了這四種力對(duì)飛機(jī)的作用。

動(dòng)力由飛機(jī)的引擎(螺旋槳或噴氣)產(chǎn)生,重量由重力產(chǎn)生,阻力由飛機(jī)機(jī)體與空氣分子的摩擦產(chǎn)生,升力由飛機(jī)機(jī)翼提供。

關(guān)于升力,理論上還有許多爭(zhēng)議,但這里也有一些公認(rèn)的規(guī)律。

典型的機(jī)翼橫剖面,將顯示,上表面比下表面的曲度(譯者:帶點(diǎn)弧度)要大的多。這種輪廓被稱為“翼型”(aerofoil)。而這種翼型之所以存在,是因?yàn)樗呀?jīng)久經(jīng)驗(yàn)證(從飛行的曙光出現(xiàn)以來),它使向上的空氣作用力大于向下的空氣作用力,即能更有效地產(chǎn)生升力。

在飛行過程中,氣流的自然流動(dòng),被機(jī)翼分成了上層氣流和下層氣流兩個(gè)部分。任何偏轉(zhuǎn)將會(huì)導(dǎo)致不同的空氣壓力(或壓力梯度)。由于翼型的存在,上層氣流施加于機(jī)翼的壓力,將比下層氣流的小,所以機(jī)翼就從壓力大的位置被推向壓力小的位置,或者說,機(jī)翼就被“吸”到上邊去。

其中一個(gè)有爭(zhēng)議的升力理論與牛頓第三定律有關(guān),飛機(jī)相對(duì)于機(jī)翼下方的空氣產(chǎn)生了作用力,因此飛機(jī)也會(huì)受到相應(yīng)的反作用力,而被“托”起來。這也許有點(diǎn)道理,但上下層空氣的壓力差才是升力產(chǎn)生的主要原因。

上圖:翼型上的各種空氣作用

如果您想自己做試驗(yàn)來產(chǎn)生一些升力,那么,盡管是一種不同的方式,拿一張紙放到嘴邊,用力吹氣,然后您就會(huì)看到紙片被“吸”到上面來了。因?yàn)槟底吡松蠈拥目諝夥肿?,而使上層空氣變得稀薄,于是向下的壓力就變小了,所以向上的壓力就能產(chǎn)生升力。

當(dāng)然,機(jī)翼上產(chǎn)生升力的原理,遠(yuǎn)比這個(gè)復(fù)雜,但最后結(jié)果是一樣的。

上圖:自己做個(gè)升力試驗(yàn)

機(jī)翼相對(duì)于空氣的運(yùn)動(dòng)越快,產(chǎn)生的升力越大,相反,速度越慢,升力越小。這點(diǎn)非常重要。當(dāng)然,針對(duì)不同的飛行速度,有不同的機(jī)翼設(shè)計(jì)(翼型和樣子),從而產(chǎn)生不一樣的升力。

升力的另一個(gè)直接作用就是產(chǎn)生向后作用的阻力,這也跟空速有關(guān)。所以,為了能產(chǎn)生更高的效率,在翼型設(shè)計(jì)上,要使升力最大化,而使阻力最小化。

2.攻角和升力

產(chǎn)生升力的另一個(gè)關(guān)鍵因素是攻角。這是一個(gè)機(jī)翼相對(duì)于周圍的水平氣流的俯仰角。參見更前面的示意圖。

隨著攻角的增加,將產(chǎn)生越來越大的升力,但很快來到一個(gè)臨界點(diǎn)上,升力不增反減。這時(shí)候,就會(huì)產(chǎn)生機(jī)翼失速現(xiàn)象,而機(jī)身的重量也不再被“托”起。

當(dāng)失速發(fā)生時(shí),掉高度是無可避免的。直至駕駛員采取正確的措施來增加空速(通過減小機(jī)頭的抬起角度,和加大動(dòng)力),以重新獲取升力。

攻角和翼型,在升力的產(chǎn)生過程中同等重要。事實(shí)上,由于攻角(A0A,即attack of angle)的作用,平面翼也能產(chǎn)生足夠的升力。但最大的不同在于產(chǎn)生升力的效率。那時(shí)候,平面翼會(huì)產(chǎn)生更大的阻力。

3.飛機(jī)舵面

根據(jù)飛機(jī)飛行的控制方式,舵面是必須的。四個(gè)主要的舵面(副翼、升降舵、方向舵和襟翼)如下圖所示:

要了解每個(gè)舵面的作用,首先想象出貫穿機(jī)體的三條軸線(即上圖所示的藍(lán)色線條)。一條橫軸,從左翼尖到右翼尖,一條縱軸,從機(jī)頭到機(jī)尾,一條垂直軸,從下到上。三條軸線都經(jīng)過飛機(jī)重心(Center of Gravity,簡(jiǎn)寫為CoG),即飛機(jī)上的關(guān)鍵平衡點(diǎn)。

當(dāng)飛機(jī)向前飛行時(shí),它會(huì)對(duì)舵面運(yùn)動(dòng)做出響應(yīng),即繞軸線旋轉(zhuǎn)。下表說明了相應(yīng)的動(dòng)作。

下面部分說明飛機(jī)運(yùn)動(dòng)與舵面運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

4.副翼與橫滾

副翼位于左右機(jī)翼的后緣,控制飛機(jī)繞縱軸滾轉(zhuǎn)。規(guī)則是:同時(shí)反向偏轉(zhuǎn)。如,左副翼上偏則右副翼下偏,左機(jī)翼下偏則右副翼上偏。

這樣的規(guī)則導(dǎo)致:上偏副翼所在的機(jī)翼,升力下降;而下偏機(jī)翼所在的機(jī)翼,升力上升。因?yàn)檫@些微妙的變化,飛機(jī)將被迫向相應(yīng)方向滾轉(zhuǎn)。如,當(dāng)操作員把副翼搖桿往左打時(shí),左副翼上偏,飛機(jī)向左滾轉(zhuǎn)。副翼由RC發(fā)射機(jī)上相應(yīng)搖桿的左/右運(yùn)動(dòng)來控制。

5.升降舵和俯仰

升降舵位于水平尾翼的后緣。和副翼的情形一樣,升降舵面上偏或下偏,將使機(jī)頭上抬或下沉。

推桿(譯者:當(dāng)把RC發(fā)射機(jī)拿到面前時(shí),把升降搖桿在RC發(fā)射機(jī)表面向上推,即相對(duì)于您向前推)使升降舵面下偏,機(jī)頭下沉;拉桿(譯者:當(dāng)把RC發(fā)射機(jī)拿到面前時(shí),把升降搖桿在RC發(fā)射機(jī)表面上向下拉,即相對(duì)于您向后拉)使升降舵面上偏,機(jī)頭上抬。和副翼不一樣,左右升降舵面要么一起上偏,要么一起下偏。

6.方向舵和偏航

方向舵位于垂直尾翼的后緣。方向搖桿往左打,方向舵面就會(huì)向左偏轉(zhuǎn),從左邊撞擊過來的空氣,就會(huì)使機(jī)頭左轉(zhuǎn);方向搖桿往右打,方向舵面就會(huì)向右偏轉(zhuǎn),從右邊撞擊過來的空氣,就會(huì)使機(jī)頭右轉(zhuǎn)。

7.襟翼

襟翼位于機(jī)體和副翼之間,主要作用是在空速較低時(shí)產(chǎn)生更大的升力,這樣能使飛機(jī)在嚴(yán)重減速時(shí)不至于失速墜落。更進(jìn)一步,襟翼能產(chǎn)生更大的阻力,比只是減少油門時(shí)還要大,這樣就能使飛機(jī)慢下來。雖然失速的風(fēng)險(xiǎn)一直存在,但當(dāng)使用襟翼時(shí),如,使之向下偏轉(zhuǎn)10度,這樣,即使失速,飛機(jī)也不會(huì)那么快墜落,即給飛行員一點(diǎn)緩沖時(shí)間來把飛機(jī)救回來。顯然,不同的飛機(jī),有不同的失速速度和安全空速。

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