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航空、航天

飞机飞行原理-对飞机飞行物理原理的一种描述(原书第四版)

作者：（英)R.H.巴纳德等著；黄伟等译

出版社：科学出版社出版时间：2021-06-01

开本： B5 页数： 332

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飞机飞行原理-对飞机飞行物理原理的一种描述(原书第四版) 版权信息

ISBN：9787030687029
条形码：9787030687029 ; 978-7-03-068702-9
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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航空、航天

飞机飞行原理-对飞机飞行物理原理的一种描述(原书第四版) 内容简介

本译著从影响飞行器性能的各个因素通过大量案例去详细介绍飞行物理原理，侧重每个因素的物理机制，而没有冗长的数学推导，包括了目前近期新的飞行器概念，如超声速飞行器、高超声速飞行器、低轨航天器等，对于了解和掌握新概念飞行器飞行原理具有重要意义。该译著内容针对性很强，其目的是为了让读者能更好地了解影响飞机飞行的要素及其相关物理机制，指导飞行器设计。

飞机飞行原理-对飞机飞行物理原理的一种描述(原书第四版) 目录

目录
丛书序
系列序
原著中文版致谢
原著中文版序
译者序
第1章升力1
1.1升力1
1.2传统机翼2
1.3运动的飞行器与运动的空气3
1.4升力的产生3
1.5翼型6
1.6空气压力、密度和温度8
1.7压力与速度9
1.8动压10
1.9意外的现象10
1.10机翼环流10
1.11机翼附着涡11
1.12马格努斯效应12
1.13翼型周围的气流12
1.14滞止13
1.15压力与升力14
1.16压力导致的合力方向14
1.17升力系数15
1.18攻角和弯度产生的升力变化16
1.19CL随飞行条件的变化17
1.20失速17
1.21分离流中的飞行19
1.22其他产生升力的方法19
1.23使用发动机推力产生升力22
1.24旋翼产生的升力23
1.25高速直升机和平直两用飞机27
1.26旋翼机28
1.27选择的骤增29
1.28推荐阅读29
第2章机翼31
2.1机翼平面形状31
2.2展弦比31
2.3机翼产生升力31
2.4尾涡的形成34
2.5起动涡35
2.6下洗及其影响35
2.7展弦比的影响37
2.8展向升力的变化38
2.9机翼展向形状39
2.10展向形状及其处理、翼尖失速42
2.11后掠翼44
2.12后掠翼的缺点46
2.13三角翼47
2.14大后掠的细三角翼49
2.15其他机翼形状51
2.16双翼飞机和多翼飞机51
2.17连翼飞机52
第3章边界层及其控制53
3.1一个重大突破53
3.2边界层54
3.3边界层是如何产生的55
3.4表面摩擦阻力55
3.5流动分离与失速56
3.6有利条件和不利条件57
3.7前缘分离57
3.8再附58
3.9升力的产生以及起动涡的形成58
3.10控制边界层类型60
3.11边界层控制避免不希望的流动分离60
3.12后掠翼上的边界层与失速问题61
3.13后掠翼上更多的边界层问题64
3.14边界层控制大升力装置65
3.15后缘襟翼65
3.16前缘装置66
3.17连续可变弯度67
3.18大升力装置的优点与不足68
3.19主动增升装置68
3.20边界层尺度效应模型测试70
3.21风洞测试效应71
3.22雷诺数非常低的无人飞行器（UAV）和模型72
3.23推荐阅读74
第4章阻力75
4.1阻力系数75
4.2形状阻力76
4.3减小形状阻力77
4.4流线型的优势78
4.5减小迎风面积78
4.6边界层类型影响79
4.7低阻翼型80
4.8低阻力翼型特征81
4.9翼型的选取85
4.10大展弦比的另一个优点85
4.11人工诱导的层流85
4.12减小尾涡（诱导）阻力86
4.13改善展向升力分布86
4.14翼尖形状87
4.15端板88
4.16翼帆89
4.17翼尖小翼以及其他装置90
4.18由于干扰效应产生的阻力92
4.19负阻力94
4.20阻力对升力的依赖94
4.21推荐阅读95
第5章高速流96
5.1高低速流之间的差异96
5.2声速的重要性——马赫数97
5.3超声速风洞里的流动99
5.4不同类型的高速流100
5.5更多关于激波的信息——正激波和斜激波100
5.6马赫波和马赫锥102
5.7波阻103
5.8更多关于斜激波的信息——流动转向104
5.9气流转向膨胀105
5.10机翼上超声速气流的发展过程106
5.11跨声速阻力上升和压力偏移中心107
5.12边界层与高速流108
5.13动力加热110
5.14高超声速流111
第6章推力和推进113
6.1推进系统113
6.2螺旋桨推进113
6.3喷气推进114
6.4喷气发动机产生推力115
6.5推力和动量115
6.6喷气式和螺旋桨式推力产生的比较116
6.7有效推进116
6.8螺旋桨118
6.9高效螺旋桨119
6.10变螺距121
6.11恒速螺旋桨121
6.12顺桨和反推力122
6.13叶片数量和形状122
6.14反向旋转123
6.15螺旋桨与发动机匹配124
6.16螺旋桨速度限制124
6.17高速螺旋桨125
6.18风扇推进126
6.19涵道风扇126
6.20低速涵道风扇或推进器128
6.21动力装置的选择129
6.22活塞发动机129
6.23增压和涡轮增压130
6.24技术革新的需求131
6.25燃气涡轮132
6.26燃气涡轮效率133
6.27热力学效率133
6.28燃气涡轮发展134
6.29涡轮螺旋桨137
6.30多轴发动机137
6.31旁路或涡轮风扇发动机138
6.32高旁路比涡轮风扇或风扇喷流139
6.33超高旁路（UHB）发动机、道具风扇和非导管风扇141
6.34再热或加力燃烧143
6.35反推力144
6.36超声速飞行推进145
6.37冲压发动机推进148
6.38双模涡轮冲压发动机150
6.39纯火箭推进151
6.40吸气式火箭混合动力151
6.41发动机安装152
6.42理想的推进系统152
6.43推荐阅读153
第7章性能155
7.1大气155
7.2速度和高度测量155
7.3巡航飞行158
7.4水平飞行性能159
7.5机翼载荷对阻力曲线的影响160
7.6高度对阻力曲线的影响161
7.7*大速度161
7.8经济和航程*佳速度162
7.9活塞式发动机的*佳经济性163
7.10喷气发动机的*佳经济性164
7.11巡航爬升165
7.12一些实际考虑165
7.13飞行器尺寸166
7.14其他类型的动力装置166
7.15高速飞行时的经济性167
7.16续航时间设计168
7.17使用活塞发动机的续航时间169
7.18使用涡轮喷气发动机的续航时间170
7.19爬升性能170
7.20*大爬升角171
7.21爬升率173
7.22滑翔飞行174
7.23转弯飞行性能175
7.24推荐阅读176
第8章超声速飞行器177
8.1超声速机翼179
8.2超声速飞行平面形状181
8.3无后掠翼182
8.4后掠翼183
8.5亚声速和超声速前缘183
8.6中间部分184
8.7翼尖区域185
8.8亚声速和超声速后缘186
8.9超声速后掠翼与边界层189
8.10大掠角机翼189
8.11可变后掠机翼190
8.12关于平面形状的*后几点意见191
8.13飞行器整体191
8.14超声速面积律192
8.15有利的干扰效果192
8.16高超声速飞行器193
8.17“航天飞机”型飞行器194
8.18单级轨道飞行器194
8.19乘波体195
8.20超燃冲压发动机推进的高超声速飞行器197
8.21推荐阅读198
第9章跨声速飞行器199
9.1跨声速条件下的机翼202
9.2跨声速超临界翼型203
9.3抖振边界204
9.4跨声速后掠翼207
9.5合理分配载荷209
9.6关于翼尖流动210
9.7设计机翼中间部分211
9.8结合机身考虑212
9.9跨声速面积律212
9.10机翼设计中的若干非气动因素213
9.11前掠翼215
9.12飞翼与翼身融合概念216
9.13结束语216
9.14推荐阅读217
第10章飞行器控制218
10.1控制要求218
10.2飞行员的控制装置219
10.3指示仪表221
10.4偏航控制221
10.5偏航与滚转的耦合222
10.6俯仰控制222
10.7V形尾翼225
10.8滚转控制226
10.9滚转对飞行方向的影响227
10.10如何正确地转弯227
10.11滚转控制的相关问题229
10.12非常规控制面229
10.13直接的升力控制230
10.14机械控制系统231
10.15伺服调整片和配平调整片232
10.16动力伺服控制233
10.17动力控制（电传和光传）234
10.18反馈或感知234
10.19动力控制装置的安全性235
10.20控制协调235
10.21发动机控制236
10.22低速时的飞机控制237
10.23在大攻角下的控制238
10.24跨声速飞行控制239
10.25自动控制系统和自动驾驶系统240
10.26直升机的控制240
10.27推荐阅读241
第11章静稳定性242
11.1需要解决的问题242
11.2配平和稳定性要求242
11.3纵向和横向稳定性243
11.4纵向静稳定性244
11.5常规飞机的纵向静稳定性245
11.6纵向静稳定条件247
11.7松杆稳定性249
11.8鸭式飞机的稳定性249
11.9串列翼布局250
11.10无尾飞机的稳定性251
11.11三角翼飞机252
11.12重心位置变化253
11.13重心裕度254
11.14机动裕度254
11.15重心限制254
11.16压缩效应254
11.17发动机推力线255
11.18影响纵向静稳定性的其他因素256
11.19不稳定设计飞机256
11.20横向稳定性257
11.21上单翼布局258
11.22速度稳定性260
第12章动稳定性263
12.1纵向动稳定性——俯仰振动264
12.2飞行高度对短周期俯仰振动的影响266
12.3纵向沉浮267
12.4横向稳定性268
12.5滚转阻尼268
12.6螺旋模态269
12.7荷兰滚模态271
12.8海拔高度对荷兰滚的影响273
12.9结构刚度效应274
12.10人工稳定性——马赫配平系统和偏航阻尼器274
12.11旋转275
12.12推荐阅读278
第13章起飞与降落279
13.1起飞279
13.2起飞构型280
13.3起飞安全——决定速度281
13.4进场与着陆283
13.5下滑道飞行284
13.6拉平和触地285
13.7风对着陆的影响286
13.8助降和自动着陆288
13.9特殊着陆需求288
第14章结构影响290
14.1气

展开全部

飞机飞行原理-对飞机飞行物理原理的一种描述(原书第四版) 节选

第1章升力飞行器在飞行过程中为平衡自身重力所需的力称为升力。为了解释机翼产生升力的方式，有人曾在多年以前提出过一个看似有说服力的理论，尽管现在看来该理论并不正确，但是它却广为人知。可以说，世界上大多数驾驶操纵飞行器的人们都被对飞行器的飞行原理持有错误理解。尽管确实能找到正确的理论，但它们大多被藏在晦涩的数学公式中。本书的目的正是通过简单的物理形式来精确描述正确的飞行原理，在此过程中，我们将会揭开一些根深蒂固的科学谎言。 1.1 升力为了维持飞行器在空气中平稳地飞行，需要产生一个方向向上的升力用来平衡重力，如图1.1所示。然而，飞行器在实际飞行中并不会始终保持稳定的平飞状态，例如俯冲过程，这便需要产生一个大小不等于重力且方向不垂直向上的力。因此，如图1.2所示，我们将升力更广义地定义为一个方向与飞行方向夹角为直角的力。只有在平飞过程中，升力的大小才等于重力大小，方向垂直向上。从图1.2中还应注意到，飞行器并非一直朝向自身的飞行方向。图1.1 平飞过程中飞机受力示意图升力抵消重力，推力抵消阻力图1.2 气动力方向升力与飞机相对空气的飞行速度方向成直角，也垂直于机翼轴线方向，因此不一定一直垂直于地面向上。图中展示出飞机轴线方向并不与飞行方向完全一致 1.2 传统机翼产生升力的方法有很多种，我们将首先介绍传统机翼产生升力的方式。传统飞机的每一个部件都各自承担一种主要功能。这些部件的名称与功能如图1.3所示。在该经典构型中，机翼产生绝大部分升力，尾翼用来控制飞机和保持飞行稳定，一般也会产生较小的负升力或下压力。图1.3 经典飞机实例每个部件仅有一个主要功能航空领域的早期探索都是在借鉴鸟类飞行原理，即通过机翼摆动同时产生升力和推力。然而，当前经典的飞机布局（通常认为起源于英国工程师乔治凯利，George Cayley）更适合现有的技术。但是一些非常规的构型仍然具有理论优势，且随着技术的进步，这些构型将会变得更加普遍。在一些近期诞生的飞行器类型中，尾翼，甚至机身，都会提供很大一部分升力，这些构型将在后续的章节中进行介绍。 1.3 运动的飞行器与运动的空气在介绍升力的产生方式之前，需要首先明确一个事实，即如果空气以一定的速度流向一个静止的飞行器，例如在风洞中进行飞行器吹风试验，飞行器受到的气动力与飞行器以相同速度飞过静止的空气时受到的气动力相同。换句话说，实际对气动力产生影响的是空气与飞行器之间的相对速度。该事实有助于飞行力学的发展，因为空气以一定速度流过固定物体时发生的相互作用比运动中的物体经过静止空气时发生的作用更加容易理解和描述。 1.4 升力的产生对于所有飞行器机翼而言，不管是传统构型还是非传统构型，升力都是通过在机翼下方产生高于机翼上方的压力而形成的。为了得到这个压力差，必须设计一个与相对空气速度构成一定夹角的倾斜面（如图1.4所示），或者设计一个弯曲的翼面（如图1.5所示）。实际设计过程中一般会将倾斜和弯曲两者结合。图1.4和图1.5中所展示的横截面都已经在实际的飞行器上成功应用。飞行器采用何种类型的机翼形状取决于它的飞行包线以及其他功能需求。图1.4 倾斜表面平板或对称截面在与来流方向存在夹角时产生升力图1.5 弯曲翼型（d）显示的截面代表飞机翻转情况下的机翼剖面那么这几类构型在空气中运动时是如何产生压力差的呢？早期的实验发现，无论是采用倾斜面还是弯曲面，机翼上方的气流平均速度都比下方的气流平均速度大。而后面我们将推导出，空气速度的增加会与压力的降低相关，那么机翼上方较快的气流速度自然与较小的压力直接相关。因此，以往解释升力产生依靠的理论是：机翼上下方的气流速度差产生压力差。然而这样的解释难以令人信服，因为这会牵扯出一个“鸡生蛋还是蛋生鸡”的问题，即我们无法确定是速度差导致了压力差还是压力差导致了速度差，而且从物理上也很难简单地描述速度差产生的原因。图1.5（a）中展示的弯曲机翼截面与这个普遍且具有误导性的解释直接相关，即机翼上方的气流由于要比下方绕行更远的距离而必须提速以与下方气流保持同步。且不说翼面上下方的气流为什么需要保持同步，该解释本身就不能令人满意，例如上下表面长度一致的倾斜平板或者对称截面机翼也能够产生与弯曲截面机翼相同的升力。另外，图1.5（a）中展示的弯曲机翼截面即便在上下翻转的情况仍然能够产生升力，所有看过航展的人都应该知道很多飞行器都是可以在机身翻转的情况下保持飞行的。事实上，对于为什么会有一些飞行器不能在翻转的情况下飞行并没有一个合理的气动解释。这类飞行器不能进行此类操作，实际上大多是基于结构方面的考虑。几乎所有形状在弯曲或倾斜于来流方向的情况下都能够产生升力。通过倾斜并加速到一定速度，即便是砖头也能飞起来。然而砖头并不能作为机翼的基准构型，这主要是由于它在产生升力的同时会产生很大的阻力。如果研究图1.4和图1.5中所有构型的环绕流场，你会发现上表面处的气流速度一直比较大。除此之外，通过上表面的气流确实也需要流过更长的距离。图1.6（a）和图1.13显示了与此相关的奇怪流场现象，可以看到气流在机翼头部（或前缘）下方某点处分成两股，该现象并非如一些人所预测的正好发生在前缘。空气不会沿着*短的路径流动，而是更倾向于沿着顶部弯曲流动，甚至逆着主流方向向前流动一小段距离。图1.6 实际黏性流与理论无黏流的流线图案在（b）中展示的理论无黏流图案看起来与翻转后的图案一样，上下表面总有相对应的区域承受高压和低压，因此，不能预测升力和阻力显然，产生升力不一定需要使用图1.5（a）所示类型的常规翼型截面，因此使用了这类构型的任何解释都不再具有说服力。我们发现，升力的产生出乎意料地取决于空气的黏度或黏性。早期的理论忽略了黏度，并预测了简单倾斜表面周围的流动形式类似于图1.6（b）。在此图中可以看到，流线图案具有一种对称性，即便把它们倒过来看仍然能够看到相同的情况。因此，压力分布也会具有相似的对称性，在上表面和下表面上必然有恰好对应的低压和高压区域，所以早期理论认为这将不会产生升力。实际上真实的流场结构更像是图1.6（a）中展示的那样。*大的区别是此图中通过上下表面的两股流动在翼尾处再次汇合，且不会发生方向突变，流场中不存在对称性。上下表面的平均压力不同，因此产生升力。这种流动在尾部发生汇合的流场现象被称为库塔（Kutta）条件。在第3章我们将介绍空气的黏性是如何导致这种不对称流动并*终产生升力的。 1.5 翼型翼型（airfoil或aerofoil）是机翼的截面形状。尽管扁平型或是弯曲型薄板构成的机翼能够产生充足的升力，但它们的强度和刚度较低，难以对抗弯折。早期使用薄截面板状机翼的飞行器采用复杂的支撑结构（如外部金属丝和支板）来支撑机翼以使其保持足够的强度，如图1.7所示。后来为了减小阻力，去掉了外部的线结构，机翼依靠内部梁结构或者盒型结构来支撑，这样便要求机翼更厚。随后还发现类似于图1.5（a）中所示的厚“翼型截面”形状具有许多空气动力学优势，这将在后面进行描述。机翼相对于气流的倾斜角度被称为攻角（angle of attack）。在英式英语中常用入射角（incidence）一词代替攻角使用，但是在美式英语中使用时（以及在较早的英式英语中），incidence也可指代安装角，即机翼相对于机身主体的安装角度。术语“攻角”的意思更加明确，因此我们将用攻角表示机翼与气流的倾斜角。中弧线（mean line）是在前缘和后缘之间绘制的假想线，连接上表面和下表面所有对应点的中点，如图1.8所示。这条线与连接前缘和后缘的直线（称为弦线）之间的*大偏差即是弯度（camber），但翼型的弯度通常改写为此*大偏差相对机翼弦长的百分比。图1.5显示了弯曲翼型截面的示例。当机翼较厚且仅使用较小的弯度时，上、下表面都可能是凸面，如图1.8所示。图1.7 （a）弯曲平板机翼薄弯曲平板翼型在1910年已有应用（本图摄于Old Warden，沙特尔沃思收藏馆）

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