空氣動力與飛行

林同驥

從日常生活經(jīng)驗(yàn)里我們知道：快跑的時候會感覺到空氣的力量吹在身上，大風(fēng)起來的時候會飛沙走石。這些事實(shí)表明：物體在空氣中作相對運(yùn)動時，在物體上會產(chǎn)生一種力量，這種力量就叫做空氣動力。飛行器在空氣中飛行時，因?yàn)樗俣瓤?，所受到的空氣的作用力就更大。如何控制并利用空氣動力，便成為飛行中的重要問題。

飛行中的空氣動力問題主要可分兩方面來討論：一方面是飛行器的升力問題，就是如何利用空氣動力來供給升力，使得飛行器能克服地球引力而上升。另一方面是飛行器的推力問題，就是如何利用空氣動力來供給推力，減小阻力、使飛行器能快速前進(jìn)。升力問題是飛行器所特有的，因?yàn)樗枰x開地面，不然就不成其為飛行。推力問題是一切交通運(yùn)輸工具所共有的，運(yùn)動中的物體一般都要受到空氣的阻力，不過這個問題在飛行中特別嚴(yán)重，因?yàn)轱w行速度快，阻力大。

讓我們先討論升力問題：隨著飛行速度的增長，飛行器克服地球引力而上升的方法也就不同。在低速飛行里，如氣球和飛艇等，它們的上升主要是靠空氣的浮力。浮力的大小等于飛行器所排斥的同體積空氣的重量。因此這類飛行器的重量要比同體積的空氣輕，才能起飛。這種情況下我們所利用的只是空氣的靜壓力。

當(dāng)飛行速度比較快時，我們可利用機(jī)翼來供給升力。這類飛行器的代表是飛機(jī)。飛機(jī)向前運(yùn)動時引起機(jī)翼和它周圍空氣的相對運(yùn)動，由于這相對運(yùn)動而引起的機(jī)翼上下兩面的壓力差叫做升力。升力的大小和飛機(jī)向前運(yùn)動速度的平方成正比。向前運(yùn)動速度很小時，升力也很小，不能起飛。所以飛機(jī)起飛時要先在地面滑動到一定速度，使得升力超過飛機(jī)的重量后，飛機(jī)才能上升。要注意的是這里所講的升力和浮力不同，升力的產(chǎn)生主要依靠機(jī)翼的形狀和空氣的流動?？諝獠粍訒r升力消失，但浮力仍舊存在。

飛行速度更快的飛行器是火箭，它利用噴射出來的氣體的反作用力來克服地球引力。當(dāng)火箭向下噴氣時，噴出的氣體給火箭以反作用力，推動火箭上升。反作用力的大小要受到火箭外部大氣壓力的影響，但反作用力主要是依靠火箭自身噴出的氣體。所以在沒有大氣的真空里，浮力和升力都不存在時，仍可利用噴氣的反作用力來推動飛行器前進(jìn)和飛行。

飛行器環(huán)繞地球飛行時所走的軌道是個曲線，因此就產(chǎn)生離心力。當(dāng)飛行速度達(dá)到每秒八公里以上時，離心力可與地球引力平衡，這樣飛行器可繼續(xù)在軌道上飛行而不墜落。這類飛行器的顯著的例子就是人造衛(wèi)星。飛行速度再加快就可能脫離地球或太陽引力，作宇宙航行。

上面討論的是升力問題，下面準(zhǔn)備談些飛行器的推力和阻力問題。飛行器所受到的空氣的阻力與飛行速度平方成正比，所以速度愈大阻力也愈大。在低速飛行里，如飛艇和速度較低的飛機(jī)，它們一般利用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動螺旋槳產(chǎn)生推力。螺旋槳的原理和機(jī)翼相似，由于槳葉和空氣的相對運(yùn)動使得槳葉后面的壓力大于前面，兩面的壓力差就是推力。飛行速度接近聲速時，由于空氣的壓縮作用，螺旋槳效率減低，不合使用。這種情況下一般利用噴氣發(fā)動機(jī)，將燃燒后的高溫氣體從飛行器后面噴出，利用氣體的反作用力推動飛行器前進(jìn)。這個原理和火箭的推進(jìn)機(jī)一樣，所不同的是噴氣發(fā)動機(jī)所用的氧氣是從大氣中吸取，而火箭則自帶氧氣。

減阻的方法一般是盡量使飛行器外形簡單，呈流線型，以減低干擾，避免氣流分離。因?yàn)闅饬鞣蛛x后會產(chǎn)生渦流、增加飛行器的摩擦阻力和壓差阻力。這種現(xiàn)象和附面層有關(guān)。一個有效的穩(wěn)定附面層的方法是把變厚了的附面層由飛行器表面的孔隙吸入，然后經(jīng)過壓縮機(jī)從飛行器后面排出。在超聲速飛行里，采用后掠角及避免或減低激波和附面層的相互作用，是減低阻力的一個辦法。在高超聲速飛行里，空氣與飛行器表面摩擦產(chǎn)生高熱，會將飛行器燒壞，因此要注意冷卻和熱傳導(dǎo)問題。此外在高溫下空氣會發(fā)生分離和電離，在高空飛行中空氣特別稀薄，這些情況下有許多新的空氣動力問題，需要我們研究。

最后我們應(yīng)該指出，除了升力、推力和阻力以外，飛行器的操縱和穩(wěn)定問題，主要也靠空氣動力，同時它們之間都有密切的關(guān)系，不能夠孤立開來看。此外由于飛行問題的復(fù)雜性，除要掌握理論以外，飛行器的設(shè)計(jì)歸根還要靠實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)工具和技術(shù)的發(fā)展特別值得我們注意。