飞机飞行中的空气阻力问题

背景：

我们都知道飞机在飞行的时候，会受到重力、升力、阻力和飞机发动机的推动力等阻力的作用，所以飞机在设计的时候要充分考虑它的受力情况。目前，随着飞行器技术的发展，我们对它的速度、机动性以及可靠性等的要求越来越高。所以，在飞行时受到的空气阻力的研究是非常重要的。而飞机发动机的推动力主要是用来克服这些阻力的，但飞机发动机的功率那么大，难道飞机上所受的阻力真的有那么大吗？的确，飞机在高速飞行的同时，会因为不同原因受到非常大的阻力。本文主要介绍了空气中的摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、干扰阻力、激波阻力等五部分主要的阻力问题中的摩擦阻力和压差阻力。

飞机飞行中的空气阻力问题

从产生阻力的不同原因来说，飞机所受的阻力可以分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、干扰阻力和激波阻力等。 下面只简单的介绍一下摩擦阻力和压差阻力的产生原因、影响因素以及解决办法等问题。

一、 摩擦阻力

摩擦阻力是与飞机运动方向相反的空气动力，起着阻碍飞机前进的作用，这个力就是摩擦阻力。摩擦阻力是在“附面层”（或叫边界层）内产生的。所谓附面层，就是指，空气流过飞机时，贴近飞机表面、气流速度由层外主流速度逐渐降低为零的那一层空气流动层。

附面层是怎样形成的呢？原来是，当有粘性的空气流过飞机时，紧贴飞机表面的一层空气，与飞机表面发生粘性摩擦，这一层空气完全粘附在飞机表面上，气流速度降低为零。

紧靠这静止空气层的外面第二气流层，因受这静止空气层粘性摩擦的作用，气流速度也要降低，但这种作用要弱些，因此气流速度不会降低为零。再往外，第三气流层又要受第二气流层粘性摩擦的作用，气流速度也要降低，但这种作用更弱些，因此气流速度降低就更少些。这样，沿垂直于飞机表面的方向，从飞机表面向外，由于粘性摩擦作用的减弱，气流速度就一层一层的逐渐增大，到附面层边界，就和主流速度相等了。这层气流速度由零逐渐增大到主流速度的空气层，就是附面层。附面层内，气流速度之所以越贴近飞机表面越慢，这必然是由于这些流动空气受到了飞机表面给它的向前的作用力的作用的结果。根据作用和反作用定律，这些被减慢的空气，也必然要给飞机表面一个向后的反作用力，这就是飞机表面的摩擦阻力。

总的说来，摩擦阻力的大小，决定于空气的粘性，飞机的表面状况，以及同空气相接触的飞机的表面积。空气粘性越大，飞机表面越粗糙，飞机表面积越大，摩擦阻力就越大。

二、压差阻力

空气流过机翼时，在机翼前缘部分，受机翼阻挡，流速减慢，压力增大；在机翼后缘，由于气流分离形成涡流区，压力减小。这样，机翼前后便产生压力差，形成阻力。这种由前后压力差形成的阻力叫压差阻力。机身、尾翼等飞机的其它部件都会产生压差阻力。

为什么在机翼后缘会出现气流分离呢？其根本原因是空气有粘性，空气流过机翼的过程中，在机翼表面产生了附面层。附面层中气流速度不仅要受到粘性摩擦的阻滞作用，而且还要受到附面层外主流中压力的影响。附面层中，沿垂直于机翼表面方向的压力变化很小，可认为是相等的，且等于层外主流的压力。在最低压力点之前，附面层外主流是从高压区流向低压区，沿途压力逐渐降低，即形成顺压，气流速度是不断增大的。附面层内的气流虽受粘性摩擦的阻滞作用，使之沿途不断减速，但在顺气压的推动下，其结果气流仍

能加速向后流去，但在顺气压的推动下，其结果气流仍能加速向后流去，但速度增加不多。在最低压力点（E）之后情况就不一样了。主流是从低压区流向高压区，沿途压力越来越大，即形成反压，主流速度是不断减小的。附面层内的气流除了要克服粘性摩擦的阴滞作用外，还要克服反压的作用，因此气流速度迅速减小，到达某一位置，附面层底层空气就会完全停止下来，速度降低为零，空气再不能向后流动。在S点之后，附面层底层空气在反压作用下开始向前倒流。于是附面层中逆流而上的空气与顺流而下的空气相顶碰，就使附面层气流脱离机翼表面，而卷进主流。这时，就形成大量逆流和旋涡而形成气流分离现象。这些旋涡一方面在相对气流中吹离机翼，一方面又连续不断地在机翼表面产生，如此周而复始地变化着，这样就在分离点之后形成了涡流区。附面层发生分离之点（S点），叫做分离点。这种旋涡运动的周期性，是引起飞机机翼、尾翼和其它部分生产振动的重要原因之一。

为什么机翼后缘涡流区中压力会有所减小呢？道德我们要明确，这里指的涡流区压力的大小，是和机翼前部的气流相比而言的。如果空气流过机翼上下表面不产生气流分离，则在机翼后部，上下表面气流重新汇合，流速和压力都会恢复到与机翼前部相等。这样，机翼前、后不会出现压力差而形成压差阻力。然而事实不是这样，当空气流到机翼后部会产生气流分离而形成涡流区。涡流区中，由于产生了旋涡，空气迅速转动，一部分动能因摩擦而损耗，即使流速可以恢复到与机翼前部的流速相等，而压力却恢复不到原来的大小，比机翼前部的压力要小。例如汽车开过，在车身后的灰尘之所以被吸起，就是由于车身后面涡流区内的空气压力小的缘故。

根据实验的结果，涡流区的压力与分离点处气流的压力，其大小相差不多。这就是说：分离点靠机翼后缘，涡流区的压力比较大；分离点离开机翼后缘越远，涡流区的压力就越小。可见，分离点在机翼表面的前后位置，可以表明压差阻力的大小。

总的说来，压差阻力与物体的迎风面积、形状和物体在气流中的相对位置有很大关系。

迎风面积越大，压差阻力越大。象水滴那样的，前端园钝，后面尖细的流线形物体，压差阻力最小。物体相对于气流的角度越大，压差阻力越大。

总结：

由上面的分析可知，摩擦阻力和压差阻力都是由于空气的粘性面引起产生的阻力，如果空气没粘性，那么上面两种阻力都将不会存在。而且，两者之间也有一定的联系。由于时间原因，本文只简单的讨论了摩擦阻力和压差阻力的问题，但飞机在飞行的时候还会受到诱导阻力、干扰阻力、激波阻力等阻力问题。以后如果有机会还应进行进一步的研究和学习。