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飞机空气动力学

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没人会管它极速快不快,我们假设引擎输出的最大功率是一定值,输出功率要克服的一个是螺旋桨的转动惯量﹝等于重量乘距离平方的积分﹞,螺旋桨越长因为抵抗应力的关系截面就越粗,而且越重,转动惯量就越大,另一个要克服的是螺旋桨的阻力,我们前面说过应该把桨叶看成一片小型的机翼,螺距越大就是桨叶角越大,相当于机翼攻角越大,当然阻力就越大,既然最大功率是一定值,我们只好在直径与螺距上作妥协。 特技机希望螺旋桨在高速飞行时比较有效率,像真机希望螺旋桨在低速时比较有效率,我们再提醒一次应该把桨叶看成一片小型的机翼,既然是机翼,同样就会有攻角、失速问题,甚至诱导阻力情形也一样,为了找出最佳攻角,请参看﹝图5-3﹞,合成的气流速度等于螺旋桨的切线速度加上飞机前进的速度﹝假如你对向量不熟悉的话,因为是相对运动,你可以假设你是一只蚂蚁趴在螺旋桨前缘,你不动,让气流来吹你,想象一下因螺旋桨旋转加上飞机前进,你脸上吹的是那方向来的风﹞,螺距太大而飞行速度不够快,则攻角太大而失速,这种情形在这里叫螺旋桨打滑,螺距太小而飞行速度太快,则攻角太小,效率则很差,所以结论是高速飞机用小桨大螺距,低速飞机用大桨小螺距。以前在莱特兄弟时代,飞机做好以后要拉一个绑在树上磅秤来测拉力,现在飞行场上偶而也有人这么做,现在我们知道这是多余的,测得的拉力因没有飞机前进的速度,所以只有在飞机静止时有效,飞机有了速度后就不准了。

螺距最好的解决办法当然是使用变距螺旋桨,可依飞行速度不同改变螺距,二次大战后大部分的螺旋桨飞机都已使用变距螺旋桨,可依飞行速度变换螺距以取得更佳的效率,万一引擎熄火还可以打顺桨,使螺旋桨的阻力减至最低增加滑行距离。日本MK模型出过一组60级用的可变距桨,但在美国模型飞机禁止用可变距桨,怕飞出来伤人,此外螺旋桨靠轴心部分效率很差,所以很多场合干脆装上机头罩减低阻力 第三节螺旋桨角度的计算

现在螺旋桨选择性多,价格便宜,模型玩家很少自行制作,但偶而想玩橡皮筋动力飞机时,就不得不自己动手了,请各位不要瞧不起橡皮筋动力飞机,高级室内橡皮筋动力飞机的螺旋桨会随着橡皮筋扭力自动改变螺距,而且整架飞机不超过2公克,这真的需要天分,我做的室内机则从来没有低于4公克﹝图5-4﹞。

橡皮筋动力飞机因为转速比引擎飞机慢,螺距比﹝螺距/直径﹞一般1.0~1.6左右,引擎飞机的螺距比大都在0.8以下。 定螺角桨:因为定螺角桨只有一部分效率好,所以我们螺距以距离轴心70~80%的部位为准,螺旋桨靠轴心部分效率很差,所以靠轴心30%以内部份根本不做桨叶,只剩一根轴。 定螺距桨:因定螺距桨每个断面角度均不一样,假设要制作一支直径为D英吋螺距为p英寸的桨,角度图解如﹝图5-5﹞。 第四节引擎的选择

模型飞机使用的引擎有很多种,现在因为大多数人都使用热灼引擎(glow engine)及汽油引擎,大家几乎忘了还有其它模型引擎如:

1柴油引擎:其实他是烧乙醚而不是烧柴油的,只是它跟跟柴油引擎一样没有火星塞,直接压缩爆发,但真正的柴油引擎是将空气压缩后再喷入燃料爆发,而模型柴油引擎是将先空气与燃料混合后再压至爆发,二次大战后欧洲国家管制甲醇及硝基甲烷,所以柴油引擎流行一阵子。

2二氧化碳引擎:使用一个二氧化碳气瓶,借压缩的二氧化碳气体推动活塞驱动螺旋桨,没有任何点火装置也不用燃料,常用于自由飞模型。

3脉冲喷射引擎:又叫火管,跟二次大战德国V1火箭一样的引擎,属于喷射引擎的一种,声音吵得吓死人,中国大陆飞燕公司有生产两种尺寸,非常便宜,美国还有公司出套件,让

人自行制作,号称喷出的火焰有十公尺远。 很多人选择引擎的原则是,选择只要塞的下引擎室的最大引擎,这其实是一个不正确的观念,我们知道飞行的阻力与速度平方成正比,当飞机速度已经很高,这时候要增加一点点速度马力要增加很大,选择超过适当排气量的引擎,不但重量增加,因耗油量也增加,所以装上更大的油箱,翼面负载增加的结果使飞行攻角增大,阻力也因而增大,所以效果很差,更不要提对飞机结构的影响了,要改善飞行效率应从改善飞机的空气动力着手,而不是一味加大引擎,此外竞速飞机尽量选择高转速、低扭力的短冲程引擎,像真机尽量选择低转速、高扭力的长冲程引擎或四冲程引擎,以使螺旋桨发挥最大效率。 很多人不晓得模型引擎的大小如32、120代表什么意思,美国的引擎采用英制,32代表0.32立方英寸,120就代表1.20立方英寸,一立方英寸是16.39 CC(立方公分),所以32引擎排气量是5.24(=0.32*16.39)立方公分,但世界上其它国家如德国等生产的引擎已渐渐采用公制。 第五节导风扇

很多很漂亮的像真喷射机,但机头或机尾装了一个引擎,在天上飞时离得远看上去还好,摆在地面展示时,那引擎与螺旋桨实在煞风景,要把引擎与螺旋桨藏起来,在涡轮引擎还没出来前导风扇是惟一选择,导风扇是利用高转速活塞引擎﹝24000rpm左右﹞推动类似涡轮扇叶,将大量空气往后加速,可以仿真出类似涡轮引擎的效果﹝如图5-6﹞,图中桨毂的白漆是量转速用的,导风扇虽然效率差,但因现代喷射机都很流线,机翼也不大,所以阻力小,像真喷射机飞行速度也不慢,但起飞滑行加速比较慢。

导风扇飞机最需要注意的地方就是空气的进出信道,进口的信道除了截面积要足够外,也要做得非常流线,避免粗糙、突出物或沟缝,必要时只好在肚子挖”作弊孔”以增加空气进入量,出口的通道除了要做得非常流线外,还要有一点渐缩,以增加排气速度,还有一点要特别注意的,因为导风扇进气口吸力很强,所有零件、电线都要固定好,﹝图5-6﹞那架F86第一次试车就把气压收轮组的管线及阀门绞烂喷到不知那里去了。 第六节涡轮引擎

模型涡轮引擎经过这几年的发展已渐渐成熟,虽然价位还不是一般人能接受,从早期危险的丙烷燃料到现在的煤油或JP燃料﹝煤油+汽油﹞,我们可以期待起动方式更方便,价位更低能让一般人接受的引擎出现,模型涡轮引擎是一个具体而微的涡轮喷射引擎,涡轮引擎推进的原理是引擎前端将空气吸入后,由压缩器加压,再至燃烧室燃烧,膨胀后的高压气体由后方排出,因动量守恒原理而得到向前的推力,高压气体同时也推动涡轮,涡轮再把动力传给压缩器,如﹝图5-7﹞是一个军用涡轮扇喷射发动机﹝很少人称它为引擎﹞,涡轮发动机因输出动力方式的差异可分为:

1涡轮喷射发动机:最典型的喷射引擎,原理如前所述,模型涡轮引擎就是属于这种。 2涡轮扇发动机:跟涡轮喷射发动机很类似,但有旁通气流,请注意﹝图5-7﹞发动机风扇吸入的空气有部分没经过燃烧室就直接加压后排出,那就是旁通气流,优点是比较经济,缺点是飞机最大速度会稍为慢,商用喷射机旁通比都很大,所以发动机看起来都很胖。 3涡轮旋桨发动机:这也是一种喷射发动机,但是以螺旋桨方式输出动力,跟活塞发动机比,喷射发动机零件少很多,重量也轻,比较好维修保养,又因为它没有活塞、曲轴、顶杆等的往复运动,所以震动也减少很多,玩过遥控飞机的人都知道,震动是很多问题的根源。 4涡轮轴发动机:这也是一种喷射发动机,但输出的轴马力最大,刚好用在直升机上,现代直升机都是采涡轮轴发动机,所以以后有人跟你说那架直升机是喷射引擎的,你也不要吃惊。 ﹝图5-7﹞的后半截是一个后燃器,后燃器的原理是因为空气经过燃烧室燃烧后,只消耗到不到10%的氧气,后燃器里面的空气因刚从燃烧试室出来,当然很热,而且还有很多氧气,那干脆就直接把燃料喷进去,再一次燃烧进一步加热空气增加推力,代价当然是效率非常差,

但紧急时涡轮喷射型发动机几乎可以增加100%的推力。 涡轮发动机转速很高,怠速时的转速都比活塞引擎的全速还高,所以实机发动机起动时一般都要另外以电源车或气源车先将引擎预转至点火速度,涡轮发动机还有一些需注意的特性,活塞引擎的功率几乎与转速成正比,但涡轮发动机在转速达最高转速的50%时输出的功率还不到20%﹝图5-8﹞,且低转速时燃料消耗比约为全速时的三倍,所以低转速时既耗油又没效率,还有油门的反应比活塞引擎慢很多,此外因发动机需要大量空气,改变飞行姿态时如进气道设计不好会使压缩器转子失速,所以涡轮发动机不适合作特技机的动力,但因飞行速度冲压的因素飞机起飞后涡轮发动机效率会变好。 第一节垂直尾翼

垂直尾翼分两部分,固定于机身不动的叫垂直安定翼,能左右摆动的活动部分叫方向舵,垂直尾翼负责左右的稳定,原理就如同箭的箭羽一样,当飞机偏航时产生一个修正力矩,使飞机恢复直线飞行﹝如图6-1﹞,

方向舵负责转向,当方向舵往一边打时造成飞机偏航,然后如前面所述因上反角的关系造成左右翼对气流攻角的改变,于是飞机转向,垂直尾翼的构型除传统式外,还有双垂直尾翼、H型尾翼及V尾翼,H型尾翼就是在水平尾翼两端各有一个垂直尾翼,如二次大战的B24、B25及兰开斯特轰炸机﹝图6-2﹞,此种构型在模型飞机上结构很脆弱要特别注意,V尾翼则是水平尾翼兼具垂直尾翼功能。在遥控飞机方向舵一般都与转向轮连动,在实机也都是由踏板操纵,但控制方向舵时是用踩的,而控制转向轮是用蹬的。

第二节水平尾翼

水平尾翼也分两部分,固定于机身的叫水平安定翼,活动部分叫升降舵,有部分飞机采用全动式尾翼,就是整片水平尾翼皆可转动,水平尾翼负责俯仰的稳定,也如同箭的箭羽一样,升降舵负责飞机的俯仰,水平尾翼变化也很多,位置高度变化有传统式、T尾翼、折衷式,前后位置变化有些在垂直尾翼前,有些在后,也有在主翼前面的前翼机。 第三节面积及展弦比

垂直尾翼与水平尾翼基本上也是一片小型的机翼,因舵角的改变而产生升力使飞机偏航或俯仰,如何决定一架飞机的垂直尾翼与水平尾翼面积以便提供合理的稳定性及操纵性有几个因素必须考虑:

1机身越长,尾翼与重心距离远,因杠杆原理,所需面积就较小。

2垂直尾翼与水平尾翼的断面如有做翼型,因较单片式断面效率好,面积也可减少,全动式尾翼情形也一样。

3机翼展弦比高,对攻角比较敏感,水平尾翼可小一点。

4像真机的场合,因雷诺数较实机小,而且机身都比较粗的关系,尾翼面积必须放大。 5三角翼飞机及圆盘机,因翼弦长故雷诺数大比较不容易失速,常常作低速高攻角飞行,尤其是降落时,这时垂直尾翼必须做高一些,以便避开主翼后面的尾流,免得飞机左右摆头,必要时在机腹下加做一片或两片腹鳍。

6水上飞机因水脚侧面积大,垂直尾翼要适度的增大。 因垂直尾翼与水平尾翼基本上也是一片小型的机翼,所以也有展弦比的考虑,因展弦比的大小牵涉失速先后,我们希望垂直尾翼与水平尾翼不能比主翼先失速,且万一主翼失速往下掉的时候,还能以尾翼改变飞机的姿态以便获得速度,所以一般垂直尾翼展弦比小于水平尾翼展弦比小于主翼展弦比。一次大战大部分的飞机都没有尾轮,在地面无法自行转向,而且静止时机头抬得很高﹝如图6-3﹞,在影片上常可以看到起飞时机械士跟在旁边小跑一段路帮忙维持方向,因方向舵最先有作用,机械士于是可以放手,等到升降舵有作用时推一点下舵,

让飞机摆平减低阻力以增加速度,待速度足够主翼有升力后飞机”浮”起来,在飞行场常看到J-3像真机一起飞就往左划个弧摔下去,很多人怪飞机设计不良,其实这是因为飞机速度还不够但升降舵已有作用,因姿态关系飞机在主翼浮力很勉强时就把飞机拉起,离地后爬升因速度慢、攻角大,于是马上失速而且因反扭力的关系往左摔下去,这百分之百是操纵者失误,不要再错怪飞机了。

第四节T尾翼

水平尾翼因位置关系常常处在主翼后面的尾流中,当然还有螺旋桨的尾流,造成难以臆测的后果,所以T尾翼机将水平尾翼装置于垂直尾翼顶端以避开主翼的尾流,如此一来效率当然增加,很多滑翔机采取T尾翼,但T尾翼结构上是一个弱点,设计结构时须注意,T尾翼机有一个特殊的问题”深失速”, 深失速是当飞机主翼失速时,主翼及机身往下掉时所带的尾流刚好打在T尾翼上,这时升降舵没有作用,而主翼早已失速﹝如图6-4﹞ ,于是飞机就毫无希望的摔下去,﹝图6-5﹞是NASA的深失速试验机,经过特别改造让失速时水平尾翼仍有作用,可由机上丝带看出飞机下墬的方向,机身短、胖、展弦比低、重心偏后的飞机比较容易发生。 第五节前翼机

前翼机是水平尾翼在机身的前端,主翼在后端的飞机,莱特兄弟的第一架飞机就是前翼机﹝如图6-6﹞

,时间是1903年12月17日,12秒钟飞了40公尺,趴在飞机上的是弟弟,右边站着的是哥哥,垂直尾翼两片在后面,水平尾翼也是两片在前,首先不着陆环绕地球一周的航行家号也是前翼机﹝如图6-7﹞

,这架飞机使用高科技材料空重只有2000磅,却载了7000磅的油料,全身有17个油箱,本来有翼端小翼的,右边起飞时在地上磨擦掉了,为了平衡所以把左边给设法在空中晃掉,事实上它的制造厂伯特?鲁坦飞机公司出品的飞机都是前翼机,前翼机的优点一是它的水平前翼产生升力,可分担主翼的负担,不像传统飞机的水平尾翼产生向下的配平力,另一点是可以把前翼攻角装的比主翼稍大,且展弦比稍高,这样可以确保前翼先失速,失速后头先往下掉,迅速获得速度恢复控制,桃园的黄明义先生民国76年制作了一架大琴鸟号前翼机,当时看过的人都印象深刻,飞的很漂亮,但前翼机飞行是一种不稳定平衡,将在以后章节说明。

第一节襟、副翼

襟、副翼是主翼后缘可活动的翼片,襟、副翼的作用是借着改变机翼后缘的角度使机翼的攻角改变,因而增加或减少升力,用以改变飞机的飞行姿态,副翼动作时左右副翼一上一下,副翼向下的一边机翼攻角增加,升力增加,副翼向上的一边机翼攻角减少,升力降低﹝如图7-1﹞,左右翼升力一边增加另一边减少,于是飞机产生滚转。

襟翼动作时左右襟翼同时往下,相当于翼型中弧线弯度皆增加,升力系数增大﹝如图7-2﹞

,于是飞机速度可以降低即足以维持飞行,在第一章我们提过在降落时维持相同下沉率,这时升力并未减少还是等于飞机重量,否则依牛顿第二定律飞机会越降越快,襟翼一般用于降落前,襟翼放下后阻力也同时增加,以便降低落地速度,现在飞行场上有些人为了使飞机触地时不海豚跳,而在降落时把襟翼往上打,使得落地速度快得吓死人,真是旁门左道,触地时会海豚跳表示落地速度太快,正确的作法应是增加飞机攻角降低落地速度而不是去减少升

力。

我们模型飞机所用的襟翼大部分是费雷式襟翼,襟翼还有其它如莱特式、富勒式等型式,因滚转的力臂越长越有利﹝杠杆原理﹞,所以副翼都在翼端,襟翼在翼根,因襟、副翼都位于机翼后缘,所以有时候襟翼与副翼结合在一起叫襟副翼,同样情形如果是在三角翼飞机,升降舵与副翼结合叫升降副翼,如﹝图7-3﹞的V尾翼机也是升降副翼,在PCM遥控器还没上市之前须要自行制作连动装置,请注意如﹝图7-3﹞还是用车用两动遥控器,现在PCM遥控器都有混控功能,只要一个设定就好了。

高级滑翔机因阻力小、机翼效率好,滑空比大速度也快,降落时光靠放下襟翼速度仍快,因此降落前或需要减速时襟翼同时往下、副翼同时往上,以降低滑空比,叫作butterfly设定﹝如图7-4﹞,这时机翼上共需4个伺服机。 第二节副翼倒转

副翼往下后除升力增加外阻力也同时增加,副翼往上升力减少阻力也同时减少,当一架飞机想副翼转,假设往右转,此时右边副翼往上升力减少,左边副翼往下升力增加,飞机往右滚配合升降舵开始转弯,但一架高展弦比的飞机欲往右转,左边副翼往下时,因机翼的扭矩增大,使机翼外洗角变大,抵销了升力,且产生的阻力过大,因减速的作用于是左翼偏后右翼往前,又因上反角的关系右翼攻角增大左翼攻角减小,飞机反而往左转,这现象叫副翼倒转,要避免副翼倒转情形发生可以设定差动,就是让副翼往下的角度比往上的角度小,以便减少阻力,此外就是机翼的刚性要加强以抵抗扭力。 第三节扰流器

飞机要降低速度时可以将襟翼放下,但襟翼放下升力也增加,扰流器﹝如图7-5﹞可立刻降低速度却不增加升力,甚至降低升力,扰流器有各式各样的形式,有些装在机翼上面有些装在机翼下面,装在机身上的一般称空气煞车,效果都不错,但施作时要尽量密合,以减低寄生阻力,另外扰流器也可用来转向,原理与副翼倒转原理完全一样,只是故意让它发生的,如要右转,则把右边扰流气放下,产生左偏航,因上反角关系飞机朝右弯,老鹰造型的像真滑翔机特别适用,扰流器藏在老鹰翅膀下面,从上面看不到副翼,像真度高制作也简

第一节平衡与安定性

力的平衡条件有六个,分别是X、Y、Z三个轴力的平衡及绕X、Y、Z三个轴弯矩的平衡,轴力不平衡则会在合力的方向产生加速度,弯矩不平衡则会产生旋转加速度。飞机平衡后才能维持稳定的飞行,但平衡不一定具安定性,安定性是指当平衡因阵风或其它因素被破坏时,飞机要有自行恢复平衡的能力,安定性好的飞机平衡被破坏后能迅速修正回来,安定性不好的飞机平衡被破坏后产生波状飞行或左右摇晃甚至根本不能恢复,大部分自由飞飞机因效率的关系只在一个固定速度及姿态下才能平衡,所以手掷飞机比赛时投掷的技巧占很大的的比例,当飞机掷出后在最高点冲力消失的一剎那,这时飞机就要摆好滑翔的姿态开始滑翔,否则高度掉了一大半才恢复平衡开始滑翔,那就不要比了。 第二节重心上下位置

飞机依主翼的位置可分为高翼机机、中翼机及低翼机,主要的考量在于安定性,飞机的升力作用点与重心位置如﹝图8-1﹞,高翼机重心在压力中心下,当飞机倾斜时,升力与重力有一自动回复的力矩,很适合遥控练习机,当然也很适合自由飞的飞机,低翼机重心在压力中心之上,当飞机倾斜时,升力与重力造成的力矩不但不会使飞机回复反而会加速侧滚,这正是特技机要的特性,如此反应敏捷的飞机当然不很适合练习机,但如果低翼机上反角大的话,

飞机空气动力学

没人会管它极速快不快,我们假设引擎输出的最大功率是一定值,输出功率要克服的一个是螺旋桨的转动惯量﹝等于重量乘距离平方的积分﹞,螺旋桨越长因为抵抗应力的关系截面就越粗,而且越重,转动惯量就越大,另一个要克服的是螺旋桨的阻力,我们前面说过应该把桨叶看成一片小型的机翼,螺距越大就是桨叶角越大,相当于机翼攻角越大,当然阻力就越大,既然最大功率是一定值,我们只好在直径与螺距上作妥协。特技机希望螺旋
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