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飛機的升阻比是什麼?為什麼飛機的飛行狀態後的飛行狀態會更加重要

升阻比是飛機飛行引數中的一個重要部分,更多時候表現在飛機出於某一種飛行狀態後其自身效能的體現,對於戰鬥機而言更是其設計方面的一個重要的展示,那現在我們就瞭解一下什麼是飛機的升阻比及其意義和作用。

什麼是升阻比

在空氣動力學中,升阻比(L/D)是指飛行器在一定迎角下升力與阻力的比值。一般情況下升阻比可以表達為為升力係數及阻力系數之間的比值,兩個係數是採用同一參考面積而得出的無綱量,因此即使是作為同一飛機而言,在同一氣流速度和仰角的情況下,它的升阻比是隨飛機速度改變而變化的。

升阻比和戰機的哪些因素有關係

影響一架飛機升力和阻力的因素有很多,不僅有飛機的當下所處的迎角、飛行速度有關,還與當下的所處的飛行高度、空氣密度、以及飛機自身的氣動佈局和表面材料摩擦係數、溼面積等有關。

首先是迎角對升阻比的影響,迎角是固定翼飛機機翼絃線和氣流速度的夾角,或者說是機翼絃線和飛機速度向量方向的夾角,通常也稱為攻角,它是確定機翼在氣流中姿態的基準。由於飛機的飛行姿態不同,形成的迎角也就不一樣,我們都知道飛機在某一飛行狀態時單純改變迎角會出現臨界迎角,此時附著在機翼上表面上的發生氣流部分分離現象,因此在臨界迎角附近飛機會產生抖動,一般機械傳動的老飛機飛行員感受明顯,在小於臨界迎角的時候,飛機增大迎角,升力就增大;超過臨界邊角後,再增大迎角,升力反而減小,迎角增大時候,飛機機翼上表面空氣流管變細,壓強減小,下表面相反壓強增加,隨之升力增加,但是與此同時,機翼的後緣產生渦流,但是對升力影響不大,但當迎角超過臨界角之後,機翼後緣渦流前移,反而使得飛機機翼上表面空氣流管變粗,超過臨界迎角以後,迎角再增大,升力反而迅速減小,飛機的飛行阻力劇增,由於飛機的飛行阻力主要可分為誘導阻力和寄生阻力二種,誘導阻力是指當立體的機翼產生升力時同時衍生的阻力,也就是產生升力所必須付出的阻力,兩者相伴而生,如影隨形;誘導阻力的大小與機翼的升力和展弦比(機翼翼展和平均幾何弦之比)有很大關係。一般說來,展弦比越大,升力越大,誘導阻力越小,升阻比越大。而寄生阻力則與誘導阻力大不相同,寄生阻力又稱廢阻力,包括:摩擦阻力、壓差阻力和干擾阻力,摩擦阻力,或稱表面阻力,是當物體在流體中(這裡指在空氣中)向前運動時,物體周邊流體沿著物體表面輪廓向物體運動方向相反的方向流動時所產生的一種阻力。由於流體本身具有粘滯性,當流體流經物體時,會產生流體分子在物體表面的浸潤與粘著,使靠近物體表面與流體微粒相互作用而發生摩擦阻力,摩擦阻力對飛機等高速運動的物體關係很大(往往要佔總阻力的40%以上),而飛機表面粗糙程度和溼面積決定了摩擦阻力大小,飛機表面越粗糙,溼面積越大,摩擦阻力越大,因此保持好飛機表面光滑,就能減小飛機阻力。高速飛行的物體,氣體在前面聚集,使前部壓強增大,而尾部由於氣體不能迅速返回,氣體密度減小,壓強同時減小。這樣,前部的高壓與尾部的低壓共同作用,產生與前進方向相反的阻力。所以說飛機摩擦阻力和壓差阻力主要是由空氣的粘性造成,只能儘可能減小,不能迴避;干擾阻力主要是由於飛機的外形產生的,在低速小迎角的狀態下,阻力主要是摩擦阻力,隨著迎角增大,飛機升力提升,誘導阻力成為主要阻力,飛機的升阻比增加,而當飛機機翼超過臨界迎角後,飛機升力減小,誘導阻力減小,壓差阻力又迅速增加,飛機的升阻比迅速下降,這就是飛機在低速狀態下的阻力隨著仰角的變化規律。

其次飛行速度對升阻比的影響也十分重要,飛行試驗表明飛機的升力、阻力與飛行速度的平方成正比例, 在飛機保持同一飛行姿態的情況下,無論飛機速度大小,飛機周圍的特別是機翼周圍的空氣流管形狀基本是不變的,隨著速度改變的是機翼上下表面的壓力差,速度越大,壓差越大,進而升力和阻力也同時增大。在飛機低速飛行時,飛機需要保持一定升力,因此需要調整姿態來獲得大迎角,這樣就會產生阻力,速度越低,迎角越大,阻力越大,這樣升阻比就越小,而在飛機高速飛行,特別是戰鬥機進行高速巡航飛行時候,產生阻力以寄生阻力為主,這時飛機若擁有整潔的外形,良好的氣動佈局,都可以減少寄生阻力,因此在戰鬥機的設計中,會把飛機的巡航速度放在最大升阻比的範圍內。

此外就飛機自身的設計因素,從經驗公式來看,在一定條件下,機翼的展弦比越大,那麼該飛機的升阻比的最大值也就越大,實驗表明,橢園形機翼誘導阻力最小,而矩形機翼和菱形機翼誘導阻力最大,展弦比越大,誘導阻力越小;就機翼切面形狀來說,相對厚度大,機翼的升力和阻力也大,這是因為,相對厚度大,機翼上表面的彎曲程度也大,一方面使空氣流過機翼上表面流速增快得多,壓力也降低得多,升力大,另一方面最低壓力點的壓力小,分離點靠前,渦流區變大,壓差阻力大。實驗表明,相對厚度在5%-12%的翼型,其升力比較大,相對厚度若超過14%,不僅阻力過大,而且升力會因上表面渦流區的擴大而減小。此外最大厚度相對機翼切面位置,對升阻力也影響很大,最大厚度位置靠前,機翼前緣彎曲度很大,導致流管在前緣變細,流速加快,吸力增大,升力較大,但因增大迎角後後緣分離渦流區擴大,阻力也較大;最大厚度位置靠近翼弦中央,升力較小,但其阻力也較小。由於最大厚度位置靠後,最低壓力點,轉捩點均向後移,層流附面層加長,紊流附面層減短,使摩擦阻力減小,所以阻力較小。

三、各類戰機升阻比的表現

對一般的飛機而言,低速和亞音速飛機可達17~18,跨音速飛機可達10~12,馬赫數為2的超聲速飛機約為4~8,在一、二代戰機中,特別是二代機設計重點在於超音速設計上,已經採取很多措施來獲得較好的超音速升阻比效能,例如減小機體面積,採用面積率的蜂腰設計,增加表面的光滑度,機翼下方加裝翼刀,加裝整流罩等等措施。在第三代戰機中,有在提升升力係數方面採用了大邊條和翼身融合設計,如F-18,全動垂平尾、鴨翼等措施,還有放寬戰機縱向的靜穩定度,加上主控技術和大推力發動機,這一點在F-15上有體現,而側衛家族呢,從最佳化氣動佈局比如窄邊條上追求升阻比的提升,歐洲的陣風和中國的殲10 ,主打的用鴨翼配合大後掠小展弦比的主翼(三角翼)的鴨佈局來提升升力,來彌補三角翼由於展弦比較小產生的誘導阻力較大,發動機推力不足的缺點,獲得好的升阻比,總之三代機的特點是追求更強的機動效能以及跨音速的穩定性,在這個理念上來改善升阻比。到了四代機的時候,超音速巡航、超機動性、隱身效能,擺在了面前,超音速巡航時候速度至少在1。4馬赫以上 ,並且能夠長時間進行飛行,不開加力,不費油,由於在超音速階段隨著速度增長,升阻比是下降的,所以在設計方面要儘可能降低所有影響升阻比的因素,比如外形的減阻設計,採用翼身融合升力體佈局,表面塗層的處理和變彎度機翼等等技術,外形儘可能乾淨利落,飛機的巡航速度與機身的隱身設計同時考慮。

總之,戰機的升阻比是一種綜合考慮的引數,它涉及到戰機的各方面,戰鬥機設計的任何改動都可能會影響著它,同一飛行條件狀態下的不同戰鬥機做同樣機動動作,升阻比高的就會佔更大的優勢,隨著新的氣動設計、新材料、新工藝的不斷出現,滿足不同飛行狀態需要的具有高效升阻比飛行器會如雨後春筍一樣,層出不窮。

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