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，后在机翼的后方汇合，并沿初的方向流动。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。
图1-2 基于牛顿第二定律，这个机翼没有升力
图1-3 具有升力的机翼周围的空气流动情况
三、通过机翼后气流的转向
通常，简单的描述会产生更多的问题。一个很自然的问题是，为什么气流在机翼周围会转向？这个问题可能是在理解飞行原理过程中有挑战性的问题，而且是关键的问题之一。
首先，我们来看一个简单的示例。将一个玻璃杯水平放置靠近水龙头里流出来的水流，直到杯子外表面刚刚接触到水流，如图1-4 所示。这时，水流会环绕玻璃杯流动。根据牛顿定律，为了使水流弯曲，必须有一个力作用其上，而且这个力是朝向水流弯曲的方向的。根据牛顿第三定律，我们知道一定有一个和这个力大小相等、方向相反的力作用于玻璃杯上。水流图1-4 水流绕玻璃杯流动施加在玻璃杯上的力，将玻璃杯推向水流，而不是像人们起初预料的那样将玻璃杯推开。
图1-4 水流绕玻璃杯流动
那么，为什么水流会环绕玻璃杯流动，或者说为什么气流会绕机翼流动呢？首先我们来考虑低速（亚声速）飞行的情况。在低速飞行中，作用在气流上的力和压强都很小，所以此时的空气可以认为是不可压缩的流体。这就意味着在低速飞行时，一定质量的空气体积不会改变，并且气流之间不会相互分离产生间隙。
接下来我们要了解的是，流线之间是彼此联系的。在稳态飞行中，可将流线看作是流动的空气中粒子移动的路径。这是气流流过机翼时，一个小而轻的物体将会采取的路径。流线之间的联系表现为压强和黏性。压强指的是单位区域内，空气对邻近流线造成的力。气体或液体间的黏性类似于固体之间的摩擦。
现在我们来分析一下相邻的两条不同速度的流线。由于这两条流线具有不同的速度，所以它们之间的“摩擦力”会使较慢的那一条流线加速，并使较快的那一条流线减速。由黏性的原理得出，机翼表面的空气速度相对于机翼表面的速度为零。空气的速度随着其距机翼表面距离的增加而增加，如图1-5 所示。现在假设条速度不为零的流线刚刚掠过了机翼顶部的高点，如果这条流线不是跟随机翼的方向，而是沿着原来的方向继续向后流动，那么它和机翼之间一定有一团速度为零的空气。黏性力会将这团空气从机翼表面带走，同时没有别的流线来补充，所以此处压强会降低。这种降低了的压强会使流线弯曲，直到它沿机翼的表面流动为止。
图1-5 机翼表面附近流体的速度变化
按照之前的分析，下一条流线跟随前一条流线，以同样的过程使运动轨迹产生弯曲，之后的流线以此类推。在机翼表面很近的距离内，流线的速度随着距机翼距离的增加而增加。例如在空客A380（Airbus A380）机翼的后缘，这一很近的距离大约为6 英寸。这个流线速度快速变化的区域称为边界层。如果这一流动不是湍流的话，那么边界层就称为层流边界层。
因此，流线是由于压强的降低而弯曲的。这就是机翼顶部的气流会弯曲、机翼上方的压强会减小的原因。而且这个压强的降低会随着距机翼距离的增大而逐渐减小，这是升力产生的基础。压强的降低产生的变化以声速传播出去，导致大量的空气在机翼周围弯曲。
流线之间的交流是以分子模式进行的，表现为空气的压力和黏性。没有黏性，流线之间就不会有交流，也就没有边界层一说。通常，升力的计算是在无黏性的极限条件下进行的。在这些情况下，库塔- 茹科夫斯基（Kutta-Joukowski）定理重新隐式地引入了黏性，这要求空气在机翼的后缘平滑地离开。另外，近似计算还要求空气跟随在机翼的表面，这是引入黏性的另一个条件。在计算中近似消除黏性影响的结果就是，不必计算边界层的数据。
应当注意的是，机翼顶部均匀流的速度比自由流的速度（离机翼一定距离处未受干扰的气流速度）要快。气流的转向导致机翼上方的压强降低，压强的降低导致气流加速。我们通常认为是气流的加速导致压强的降低，但其实是压强的降低导致了气流的加速，这与牛顿定律相符。
图1-6 所示为机翼周围空气的绕流情况。要使气流弯曲，就需要一个力的作用。如图中彩色箭头所示，作用在气流上的力的方向垂直于气流弯曲的方向。而且，力的大小与流线弯曲的程度成正比。气流弯曲得越厉害，作用在其上的力就越大。如图中黑色箭头所示，作用在机翼上的力与作用在气流上的力大小相等、方向相反。这些力是通过压强的作用产生的，代表了力转移到机翼上的原理。
再来看图1-6 中代表着作用于机翼上的力的黑色箭头。这里有两点需要注意。，大部分的升力都作用在机翼的前部。事实上，在亚声速下飞行时，机翼总升力的一半是在弦长（从机翼的前缘到后缘的距离）的前1/4长度上产生的。第二，图中机翼前缘的箭头向前倾斜。因此，这种升力不仅使机翼有上升的趋势，还使其有向前的趋势。如果整个机翼上各点的升力都是这样，那当然是很好的事，但遗憾的是，机翼后缘水平方向的力把这部分向前拉动的力平衡掉了。
图1-6 作用在气流上的力及作用在机翼上的反作用力
现在我们理解了机翼为何能产生升力。简言之，就是气流在机翼周围发生转向，从而产生了下洗流。牛顿定律指出，气流的转向需要有一个作用其上的力，而牛顿第三定律则表明，这个力的产生伴随着一个大小相等、方向相反的力，这就是升力。通过机翼两侧的压力差，由于气流转向而产生的升力就传递给了机翼，这就是机翼获得升力的机理。