《飞机可不是靠公式飞起来的》.18 失速


在第 14 节《当风流过机翼》中,我们提到飞行中使用的攻角很小,因为“虽然更大的攻角会产生更大的升力,但同时它会产生更多的扰动并造成更大的阻力。” 那么最佳攻角的问题就有必要进一步研究一下。
在开始我们的艰苦跋涉之前,我们先思考一下,既然我们是弯曲的机翼表面而不是原来的平板,那么如何定义“攻角”呢? 首先我们必须选择一条直线来代表机翼——问题是这条直线怎么选呢?这听起来是一个简单的问题,但解决起来一点也不容易,主要是因为从理论上考虑这个问题时令人满意的方法对于那些负责在飞机上进行实际测量的人来说是完全不切实际的。长话短说,我们只能说不同的翼型使用不同的弦线(如下图),而机翼的攻角定义为弦线与空速的夹角。

现在,如果我们增加攻角,会发生什么?
同样,这个问题也不像看起来那么简单,为了得到答案,科学家与工程师们已经进行了大量的实验研究。就升力而言,会随着攻角的增加而增加(假设空气速度保持恒定),但当攻角达到一定值后,升力开始减小。尽管达到最大极限时机翼提供的实际升力根据机翼截面的形状而有很大差异,但令人奇怪的是,大多数机翼,无论其截面形状和空气速度如何,在达到最大升力时都具有大约相同的攻角,通常在 15度 到 20度 之间(如下图)。

空速恒定时,升力随攻角的变化曲线
那么,为什么在达到这个角度后升力会下降? 我们自然会认为增加的角度会产生更多的下洗气流,从而产生更多的升力。航空工程师应该花费了很多时间研究这种现象,因为如果不发生这种情况,飞行会变得非常容易和安全。通过观察机翼上方的空气流动(使用烟雾或飘带,工程师们可以看到流动的类型)他们发现,当达到这个临界角(航空上称之为the critical Angle of attack,临界攻角)时,顶部表面上的气流会突然发生变化——从稳定的流线型流动转变为剧烈的涡流运动,从而导致大部分下洗气流和升力损失(如下图)。当然了,您想必猜到了,出于相同的原因,阻力也会突然增大。

有意思的是对于文丘里管,如果我们让喉部太窄,或者试图在喉部后突然扩张管子,文丘里管中也会发生完全相同的事情。 (老话说的好,步子太大容易扯着淡)。有趣吧?虽然无论是机翼还是文丘里管都是前部奉献更大的升力或者吸力,可是呢他们又取决于机翼(文丘里管)后部分的形状或者角度。所以,做事情也一样不能瞻前不顾后(刘邦当年打仗总是不停的给后方的萧何升职加薪,这也是认识到虽然打仗的是前方,但是后方也是无比重要啊)。
事实上,气流对整个系统的确切形状、角度和姿态非常敏感。无论是机翼截面还是文丘里管,当我们试图走得步子太大时,它就会通过分解成湍流来表示抗议——最终造成扯淡之势。如果山太陡,它就不会上!因此它更像一个有个性的打工者,让我稍微努力跳跳就够得着的地步,我是接受的。让我毫无节制的加班,我拒绝。
这种现象被称为失速,或者更恰当地说“打嗝”,——这是飞行中最大的问题之一。
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