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第1章 飞行原理

一、升力产生的物理学原理

喷气式发动机和螺旋桨通过将气流推向后方而产生推力，直升机的旋翼通过将气流推向下方而产生升力。图1-1 所示为一架悬停在水面上的直升机，其产生的下洗流清晰可见。同样地，固定翼飞机的机翼也是通过将气流推向下方而产生升力的。总之，喷气式发动机、螺旋桨、直升机旋翼、固定翼飞机的机翼都是通过相同的物理学原理工作的，即将气流向相反的方向加速而产生所需要的升力或推力。

本章主要基于牛顿三大定律，介绍升力的物理学原理。这样的描述有助于读者理解与飞行相关的许多现象，而这是通过其他描述做不到的。这种方法可以使读者很清楚地了解升力是如何随着速度、密度、载荷、迎角和机翼面积等参数的变化而变化的。本章介绍的原理不仅适用于低速飞行，同时也适用于超声速飞行，还可以帮助飞行员直观地了解飞机的特点和局限性。根据本书内容，读者可以很容易地理解为什么飞机的迎角需要随着飞机速度的降低而增加，为什么飞机的机动飞行速度（湍流中飞机的*速度）需要随着载荷的减少而下降，以及为什么低速飞行时发动机的功率需要加大等问题。

升力是一种反作用力，也就是说，机翼通过把气流推向下方而产生升力。既然我们都知道，螺旋桨通过把空气推向后方而产生推力，直升机的旋翼通过把空气推向下方而产生升力，如果将螺旋桨和旋翼看作简单的旋转机翼，那么关于机翼通过将空气推向下方而产生升力的这一解释就很好理解了。

应当注意的是，升力不是由于空气撞击机翼的下表面并向下偏转而产生的。这种误解相当普遍，也是艾萨克?牛顿（Isaac Newton）爵士所持有的观点。牛顿爵士产生这种误解，是由于他不了解机翼上空气流动的细节，他认为空气是碰到机翼的下表面而流向下方的。确实，会有一些升力来源于机翼下表面转向的气流，但是大部分的升力是由于机翼上表面气流的作用而产生的。我们在后文会介绍到，这主要是因为机翼上方形成的低压使气流加速流向下方。

图1-1 悬停于水面上的直升机的下洗流（照片由美国空军提供）

二、牛顿三大定律

牛顿三大定律是理解飞行原理的最有利的工具。它们不仅易于理解，而且应用广泛，小到低空蚊子的飞行、大到宇宙中星系的运动全部适用。本章先介绍牛顿第一定律：若物体不受到外力作用，那么静止的物体将保持静止，运动的物体将保持匀速直线运动。

从飞行的角度来讲，牛顿第一定律意味着如果一个空气团或者气泡从静止状态开始运动，那么就一定有一个力作用其上。同样，如果气流的运动方向发生转变，例如气流碰到机翼时转向，也一定有一个力作用其上。而在连续体中，例如空气，这种力通常表现为压力差。

这里我们不按照顺序，接着介绍牛顿第三定律：每一个力都会有一个大小相等、方向相反的反作用力。

这一定律很容易理解。当你坐在椅子上时，你就对椅子施加了一个力，而椅子也会施加一个大小相等、方向相反的力给你。你对椅子施加的力是作用力，而椅子施加给你的力就是反作用力。也就是说，椅子把你施加的力反作用于你。我们再来看另一个例子，是关于机翼上气流的流动转向的。从牛顿第一定律得知，气流的转向一定受到了外力的作用，而牛顿第三定律又告诉我们，气流一定会对造成它转向的物体施加一个大小相等、方向相反的力，而这个物体就是机翼。气流转向下方时，一定受到了一个向下的力的作用，根据牛顿第三定律，气流同时对机翼作用一个大小相等的向上的力。使空气流动的力是作用力，而作用于机翼上的力就是反作用力，即升力。

相比上述两条定律，牛顿第二定律稍微有些难以理解，但是在用来理解飞行相关的许多现象时，是更加有用的。牛顿第二定律最常见的形式是学生在早期的物理课程中所学的：

F = ma

也就是说，力等于质量乘以加速度。

这种形式的牛顿第二定律，可以计算出加速一定质量的物体所需要的力的大小。对于空气流动的描述，我们可以使用这一定律的替代形式应用在喷气发动机、火箭或者机翼的升力上。应用在火箭上的牛顿第二定律的替代形式可以表述为：火箭的推力等于单位时间内气体的排出量乘以该气体的速度。

前述形式的牛顿第二定律告诉了我们如何计算火箭引擎产生的推力。单位时间内排出的气体量可以磅每秒（lbm/s）或者千克每秒（kg/s）为单位。气体的速度可以英尺每秒（ft/s）或者米每秒（m/s）为单位。而为了使推力加倍，必须使单位时间内排出的气体量增加一倍，或者使气体的速度增加一倍，又或者由两者组合改变达成。

下面我们结合牛顿第二定律来看一下机翼周围气流的流动情况。图1-2所示为机翼周围的气流流动图，气流先是接近机翼，然后在碰到机翼后发生分流，最后在机翼的后方汇合，并沿最初的方向流动。这种情况下机翼是没有升力的，因为没有施加于空气上的作用力，因此，机翼上也就没有受到反作用力（升力）。如果机翼没有对空气施加净作用力，空气也就不可能对机翼产生作用力。现在再来看另外一张机翼周围空气流动的图片，如图1-3 所示。图示的气流在机翼周围分离，经过机翼后以稍微向下的角度离开机翼。这种下行的气流称为下洗流，产生下洗流的作用力的反作用力即为升力。在这幅图中，气流经过机翼后，受到了一个净作用力，因而气流受到作用力后产生一个反作用力作用于机翼上。这个反作用力就是升力。

如果用一句话来总结机翼是如何产生升力的，那么可以表述为：机翼是通过把气流推向下方而产生升力的。其原理与螺旋桨通过把气流推向后方而产生推力一样。