飞行的代价分两笔
一笔是蹭空气,一笔是托起自己
阻力是与相对气流平行的空气动力分量:废阻力跟升力无关,越飞越快它越大;诱导阻力是升力的副产物,越飞越快它越小。两者一升一降,总阻力在某个速度上取到最小值。这一页从力的分解讲起,看清每一笔阻力长什么样、怎么随速度此消彼长,以及贴近地面时它们如何一起变卦。
01 阻力是什么:一个力的两个分量
- 阻力
- 与相对气流平行的空气动力分量;空气动力=空气对飞机施加的反作用力
- 分解
- 总空气动力 R → 垂直于相对气流=升力 L;平行于相对气流=阻力 D
- 公式
- D=½ρV²S·CD:与阻力系数、飞行动压、机翼面积成正比
- 废阻力
- 与升力无关:摩擦阻力+压差阻力+干扰阻力,合称零升阻力(寄生阻力)
- 诱导阻力
- 升致阻力——升力的副产物
- 低速流动
- 阻力与密度、速度、迎角、机翼面积有关;无黏性、不可压且构型不变时,阻力系数只随迎角变
注 · 记分解的口诀:升力垂直、阻力平行,两条分量正交,总空气动力 R 是合力。阻力公式里的"飞行动压"就是 ½ρV²——速度一上来,动压按平方涨。
02 废阻力三种:摩擦 · 压差 · 干扰
- 摩擦阻力
- 表面积越大、表面越粗糙、翼型越厚、迎角越大 → 摩擦阻力越大;紊流附面层 > 层流附面层
- 压差阻力
- 前缘高压与后缘低压涡流区形成压力差 → 产生与运动方向相反的阻力;应尽量流线化前后缘、减小迎风面积
- 压差·迎角
- 迎角越大,后缘分离越严重、涡流区前移,压差阻力增大;应避免接近失速区
- 干扰阻力
- 各部件气流相互干扰产生的额外阻力;减小靠整流——平滑结合部位、避免流管截面积剧变
- 合称
- 三者都与升力无关,合称零升阻力(寄生阻力)
注 · 三兄弟都属于"蹭空气"那一笔:摩擦看表面、压差看前后压力、干扰看接缝。干扰阻力常与整流罩一起考——整流不是减少零件,是减少气流在接缝处的互相打架。
03 翼尖涡与诱导阻力:升力付的利息
- 成因
- 下翼面压强大、上翼面压强小 → 气流从翼尖流向上翼面,形成翼尖涡
- 机理
- 翼尖涡形成下洗流 → 升力向后倾斜 → 向后分量即诱导阻力(升致阻力)
- 平面形状
- 椭圆形机翼诱导阻力最小,越接近椭圆越小
- 展弦比
- 越大,机翼越细长,诱导阻力越小
- 重量
- 重力越大 → 所需升力越大 → 翼尖涡越强 → 诱导阻力越大
- 速度
- 平飞时诱导阻力与速度的平方成反比
- 翼梢小翼
- 可减小翼尖涡 → 减小诱导阻力
注 · 诱导阻力是"升力付的利息":没有升力就没有翼尖涡,也就没有诱导阻力。减它的两条路——平面形状接近椭圆、展弦比做大。
04 总阻力曲线:两笔账的此消彼长
- 废阻力
- 与速度平方成正比,不随重量变化
- 诱导阻力
- 与速度平方成反比,且随重量增大而增大
- 总阻力
- 总阻力=零升阻力+诱导阻力;随速度先减小后增大
- 最小值
- 诱导阻力与废阻力相等时,总阻力最小(对应最小阻力速度)
注 · 记曲线的"十字":废阻力向右上长、诱导阻力向右下掉,两条线交点正下方就是总阻力谷底。重量增加只抬诱导阻力和总阻力这一族曲线,废阻力原地不动。
05 地面效应:低空的免费午餐
- 定义
- 贴近地面时气流受地面影响,空气动力和力矩发生变化;范围约一个翼展高度
- 升力系数
- 上下翼面压强差增大 → 升力系数增大;较小迎角下易失速
- 阻力系数
- 下洗流减小、下洗角变小 → 诱导阻力减小 → 阻力系数减小
- 临界迎角
- 地面效应区内临界迎角减小
- 俯仰力矩
- 下洗角减小 → 平尾有效迎角减小 → 出现附加低头力矩
- 起飞
- 脱离地面效应后诱导阻力急增、升力系数降低 → 增推力、增迎角维持升力
- 着陆
- 贴地像浮在气垫上 → 更小迎角产生同样升力;拉平着陆期间通常减小功率
注 · 地面效应是"低空的免费午餐":诱导阻力变小、升力变大,但临界迎角也变小。起飞离地时要准备好它突然撤走,着陆拉平时要准备好它还在托着你。
06 减阻设计:对症下药四招
- 流线化
- 前后缘流线化、减小迎风面积 → 减小压差阻力
- 整流
- 平滑结合部位、避免流管截面积剧变 → 减小干扰阻力
- 翼梢小翼
- 减小翼尖涡 → 减小诱导阻力
- 高展弦比 / 椭圆
- 展弦比越大、越接近椭圆平面 → 诱导阻力越小
注 · 减阻没有万能药:流线化打压差、整流打干扰、翼梢小翼与展弦比打诱导——对上 02/03 的分类才不会用错药。失速机理见本站《失速图解》。