[科普中國(guó)]-壓差阻力

飛機(jī)的阻力

空氣動(dòng)力沿氣流方向的分力阻礙飛機(jī)在空氣中前進(jìn)的力稱為阻力，機(jī)翼的阻力包括壓差阻力、摩擦阻力和誘導(dǎo)阻力。
壓差阻力：相對(duì)氣流流過(guò)機(jī)翼時(shí)，機(jī)翼前緣的氣流受阻，流速減慢，壓力增大；而機(jī)翼后緣氣流分離，形成渦流區(qū)，壓力減小。這樣，機(jī)翼前后產(chǎn)生壓力差形成阻力。這個(gè)阻力稱為 壓差阻力。 這點(diǎn)可以作如下理解：高速行駛的汽車后面時(shí)常揚(yáng)起塵土，就是由于車后渦流區(qū)的空氣壓力小，吸起灰塵的緣故。
摩擦阻力：在飛行中，空氣貼著飛機(jī)表面流過(guò)，由于空氣具有粘性，與飛機(jī)表面發(fā)生摩擦，產(chǎn) 生了阻止飛機(jī)前進(jìn)的摩擦阻力。
誘導(dǎo)阻力：伴隨升力的產(chǎn)生而產(chǎn)生的阻力稱為誘導(dǎo)阻力。誘導(dǎo)阻力主要來(lái)自機(jī)翼。當(dāng)機(jī)翼產(chǎn)生升力時(shí)，下表面的壓力比上表面的壓力大，下表面的空氣會(huì)繞過(guò)翼尖向上表面流去，使翼尖氣流發(fā)生扭轉(zhuǎn)而形成翼尖渦流。翼尖氣流扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生下洗速度，氣流方向向下傾斜，形成洗流升力亦隨之向后傾斜。日常生活中，我們有時(shí)可以看到，飛行中的飛機(jī)翼尖處拖著兩條白霧狀的渦流索。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)著的翼尖渦流內(nèi)壓力很低，空氣中的水蒸汽因膨脹冷卻，凝結(jié)成水珠，顯示出了翼尖渦流的軌跡。
干擾阻力：飛機(jī)飛行中各部分氣流互相干擾所引起的阻力稱之為干擾阻力。1

簡(jiǎn)介壓差阻力簡(jiǎn)稱壓阻，是物面壓力所引起的阻力。2

“壓差阻力”的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)著的物體前后所形成的壓強(qiáng)差所形成的。壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的阻力就是“壓差阻力”。壓差阻力同物體的迎風(fēng)面積、形狀和氣流中的位置都有很大的關(guān)系。

成因壓差阻力是飛機(jī)飛行時(shí)，各個(gè)部件前后所受的空氣動(dòng)力的壓力差所形成的一種阻力。這里首先要搞清楚模型飛行時(shí)各個(gè)部件周圍的壓力分布。就以機(jī)身來(lái)說(shuō)，當(dāng)飛行方向與機(jī)身縱軸線平行時(shí)，由機(jī)身前方流來(lái)的氣流，將從機(jī)身上下和兩側(cè)繞流過(guò)去，但它們的速度都有不同程度的下降。流過(guò)機(jī)身上下兩面的氣流變化過(guò)程是:前方來(lái)的氣流撞在機(jī)身正前方縱軸線上的那一點(diǎn)時(shí)分成兩股，先轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)90度，再沿著機(jī)身向后流去，這點(diǎn)的氣流速度為零，稱為氣流的駐點(diǎn)，其靜壓值達(dá)到最大。這點(diǎn)以外的氣流雖然速度不是零，但越靠近這點(diǎn)的氣流，速度越低。隨著與這點(diǎn)距離的加大，氣流的速度則不斷地增大，直到不受影響?？偟膩?lái)說(shuō)，氣流在機(jī)身前方因受阻擋而形成一個(gè)低速區(qū)，同時(shí)在機(jī)身前面產(chǎn)生了一個(gè)高壓區(qū)。氣流流過(guò)機(jī)頭后的情況與流過(guò)機(jī)翼上表面的情況一樣，當(dāng)氣流產(chǎn)生分離后，它就不再沿著機(jī)身流動(dòng)，其速度也不再繼續(xù)減慢，以至在流過(guò)機(jī)身后端時(shí)，其速度大于在機(jī)身前端時(shí)的速度，靜壓力也就比前端處小。這樣，氣流在機(jī)身前端的壓力，大于在后端的壓力，因而形成了壓力差。 在了解了壓差阻力的形成過(guò)程后，就可以知道產(chǎn)生壓差阻力的根本原因也是空氣粘性。如果空氣沒(méi)有粘性，它流過(guò)物體時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生摩擦，也就不會(huì)損失它的能量而停止流動(dòng)，并產(chǎn)生氣流的分離?？諝獾恼承詿o(wú)法消除，那么如何減少壓差阻力呢?可從兩個(gè)方面著手。氣流的分離雖然不是壓差阻力的根源，但它直接弓l起了壓力差的產(chǎn)生。如果氣流在機(jī)身上分離得越晚，分離后的氣流速度越慢，機(jī)身后端的壓力就越高，壓差就越小。因此推退氣流分離可減小壓差阻力。要知道，氣流流過(guò)不同形狀的物體時(shí)，其分離情況是不同的:氣流流過(guò)垂直于氣流的平板邊緣后就開(kāi)始分離，壓差阻力很大，氣流流過(guò)圓球時(shí)的分離比平板晚，壓差阻力也比平板小;氣流流過(guò)流線形物體時(shí)分離得很晚，壓差阻力就很小。所以，為了減少模型的壓差阻力，應(yīng)盡可能地將與氣流接觸的部件做成流線形。 另一方面，同樣外形的物體，如迎風(fēng)面越大，作用在上面的壓力差也越大。所以，我們?cè)谧⒁馔庑蔚那疤嵯拢€應(yīng)盡越能地減小迎風(fēng)面面積。

影響因素物體形狀對(duì)壓差阻力也有很大的作用。把一塊圓形的平板，垂直地放在氣流中。流經(jīng)它的氣流會(huì)很快發(fā)生分離，分離點(diǎn)后產(chǎn)生大量的渦流，使平板前后形成很大的壓差阻力。如果在圓形平板的前面加上一個(gè)圓錐體，它的迎風(fēng)面積并沒(méi)有改變，但形狀卻變了。平板前面的高壓區(qū)，這時(shí)被圓錐體填滿了。氣流可以平滑地流過(guò)，壓強(qiáng)不會(huì)急劇升高，同時(shí)，氣流的分離點(diǎn)向后移動(dòng)，使木板后的渦流區(qū)變小。雖然這時(shí)平板后面仍有氣流分離，低壓區(qū)仍然存在，但是前后的壓強(qiáng)差卻大為減少，因而壓差阻力必然會(huì)降低到原來(lái)平板壓差阻力的大約五分之一。

如果在平板后面再加上一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的圓錐體，把充滿旋渦的低壓區(qū)也填滿，氣流分離點(diǎn)出現(xiàn)的更晚，使得物體后面只出現(xiàn)很少的旋渦，那么實(shí)驗(yàn)證明壓差阻力將會(huì)進(jìn)一步降低到原來(lái)平板的大約二十到二十五分之象這樣前端圓純、后面尖細(xì)，象水滴或雨點(diǎn)似的物體，叫做“流線型物體”，簡(jiǎn)稱“流線體”。在迎風(fēng)面積相同的條件下，它的壓差阻力最小。這時(shí)阻力的大部分是摩擦阻力。除了物體的迎風(fēng)面積和形狀外，物體在氣流中的位置也影響到壓差阻力的大小。

迎面阻力物體上的摩擦阻力和壓差阻力合起來(lái)叫做“迎面阻力”。一個(gè)物體，究竟哪一種阻力占主要部分，這要取決于物體的形狀和位置。如果是流線體，那么它的迎面阻力中主要部分是摩擦阻力。如果形狀遠(yuǎn)離流線體的式樣，那么壓差阻力占主要部分，摩擦阻力則居次要位置，而且總的迎面阻力也較大。

壓差阻力與迎角根據(jù)翼型上下表面各處的壓強(qiáng) ,可以繪制出機(jī)翼的壓強(qiáng)分布圖（壓力分布圖），如圖所示。圖中自表面向外指的箭頭 ,代表吸力; 指向表面的箭頭, 代表壓力。箭頭都與表面垂直，其長(zhǎng)短表示負(fù)壓（與吸力對(duì)應(yīng)）或正壓（與壓力對(duì)應(yīng)）的大小。由圖可看出, 上表面的吸力占升力的大部分?？拷熬壧幭”《茸畲?，即這里的吸力最大。

由圖可見(jiàn)，機(jī)翼的壓強(qiáng)分布與迎角有關(guān)。在迎角為零時(shí)，上下表面雖然都受到吸力，但總的空氣動(dòng)力合力R并不等于零。隨著迎角的增加，上表面吸力逐漸變大，下表面由吸力變?yōu)閴毫?，于是空氣?dòng)力合力R迅速上升，與此同時(shí)，翼型上表面后緣的渦流區(qū)也逐漸擴(kuò)大。在一定迎角范圍內(nèi)，R是隨著迎角a的增加而上升的。但當(dāng)a大到某一程度，再增加迎角，升力不但不增加反而迅速下降，這種現(xiàn)象我們叫做“失速”。失速對(duì)應(yīng)的迎角就叫做“臨界迎角”或“失速迎角”。3