变动气动力飞机的升力来源是什么，它通常用于什么目的？ - 爱问百科

飞机的升力是怎么形成的，这还真不是一个特别简单的问题。百度图片上给出的第一个解释是这样的，这种解释绝不是个例，甚至在很多正式大学、中学教材中都采信了这种解释。这种理论认为，升力的原理和水的浮力类似，是由于机翼的上下表面存在压强差，所以机翼被下表面的空气向上托举形成的。这个理论是一类典型的谬误，它没有解释（也无法解释）在非密闭的空间中机翼上表面空气流动速度为什么会比下表面快。实际上，上下表面的压强差确实是存在的，托举力也是存在的，但这个压强差并不是升力的主要来源，而且最主要的，压强差是升力作用的结果而不是升力产生的原因。如果这种理论是飞机升力的主要来源，那么它在解释飞机倒飞（肚皮朝上飞行，不是倒退）的时候就会面临重大困难。我们把上图的机翼做垂直镜像，就会遇到下图所示的情形。如果没有另外一种力量提供升力，飞机就会一直加速坠向地面。而我们知道飞机确实是可以倒飞的，想飞多久都可以，倒飞时爬升也不成问题，并不会坠向地面。所以，由压强差产生的升力绝不可能是升力的唯一来源，甚至都不会是主要来源。另外，以上的理论也无法解释对于像纸一样薄的风筝，其上下表面是如何产生流速差和压强差的。为了能够解释风筝的问题，百度图片上还有一个解释是这样的，这个理论乍一看好像还真有点道理，我上初中的时候就曾经这么理解过。不光是我，据说连牛顿本人也是这么理解的，这个叫做“撞击理论”，它也代表了一种典型的谬误。实际上，撞击是存在的，但是气流因为撞击而改变方向的程度远远没有上图作者想象的那么大，因为飞机正常飞行时，机翼下表面基本是水平的，不会有很多面积去撞击空气。这个理论只要做个简单的实验就能证伪，并且早就已经被证伪了，因此它并不是升力的主要来源。（Incorrect Lift Theory）而且这个理论完全忽略了机翼上表面的作用，好像上表面对升力根本没有什么贡献。如果这个猜测属实，那么所有的飞机都应该把发动机和挂载武器放到机翼上方而不是挂在机翼下方。百度上还有一种错误描述也很有代表性，如下图所说“机翼上方气流通过的路程较长，速度较大，压强较小”。（Incorrect Lift Theory）如果只谈客观事实不谈因果关系，那么这三个陈述“路程较长”、“速度较大”、“压强较小”都是正确的，是符合客观事实的。但是只谈现象并不能解决“为什么”的问题，所以该表述的真正意图是在三个现象之间建立起因果关系，也就是“（因为）路程较长（所以）速度较大，（所以根据伯努利原理）压强较小”。问题就出在“（因为）路程较长（所以）速度较大”这个陈述，该提法暗含的逻辑其实是“等时理论”，即在机翼前缘分离的气流必须“同时”在机翼后缘会和，为了实现等时，则气流的速度必须变快，于是根据伯努利原理就会产生压强差。这个逻辑的荒谬之处在于完全忽视了牛顿第二定律。牛顿认为，物体的速度是否变化完全取决于该物体的受力情况，与物体的具体运动路径没有因果关系。该理论没有解释（也无法解释，因为根本不对）气流为什么要“等时”到达机翼后缘，所以该理论不可能是气流“压强较小”的正确解释。实际上，如果严格按照上图的画法是不会产生升力的，因为气流经过机翼前后的状态（能量、动量）没有变化，所受的净作用为零。下图用计算机仿真结果说明“等时”理论是不正确的。从图中可以看到两点既然那么上面几种理论都是不太准确的，那么升力到底是怎么产生的呢？我们可以先做一个非常简单的流体力学实验来预热一下。实验：流体与光滑表面的相互作用实验器材：外壁光滑的圆柱形水杯一只，厨房用水龙头一只实验方法：打开水龙头，让水杯外壁缓慢接触到水流实验现象：水流接触水杯后改变了流向，沿着水杯表面流动一定的距离后与水杯分离，并且分离之后水流的方向发生了偏折（deflection）。实验总结：水流在接触水杯之前只会沿重力方向运动，没有横向速度。与水杯接触之后运动方向发生了偏折，即获得了横向的速度。实验分析：笔者才疏学浅，目前还不能非常清楚地解释水分子在水杯外壁上到底发生了什么事情，但是根据牛顿第三定律（作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上），水杯给水流施加了横向的作用力，那么水流也一定给水杯以同样大小但方向相反的横向作用力。我们把上面的图旋转90度，就很容易理解机翼在空气中到底经历了什么。实验结论：流体分子与光滑表面会发生力的作用并产生运动。由于流体存在黏性，光滑表面附近的流体分子会吸引邻近的流体分子沿同样的方向运动，使流体做为整体受到向光滑表面方向弯折的力，同时光滑表面也会受到同样大小但方向相反的作用力，这个力就是机翼的升力（lift）。 Coanda Effect 康达效应，亦称附壁作用或柯恩达效应。流体（水流或气流）有偏离原本流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。根据牛顿第三定律，物体对流体施加一个偏转的力，则流体也一定对物体施加一个反向偏转的力。附壁作用是大部分飞机机翼的主要运作原理，而附壁作用突然消失则是飞机进入失速（stall）的主要原因。升力的来源下图解释了机翼升力的正确来源。当机翼以一定的迎角迎接水平气流时，机翼上方的空气被机翼弯折，获得向下的速度，并因此形成机翼上方的低压区。与此同时，机翼下方的空气被机翼压缩，因此形成高压区，同时机翼下方的空气也获得一定的向下速度。获得了向下速度的气流称为下洗气流（downwash stream），下洗气流从机翼中获取的动量等于气体的质量m与气体速度v的乘积，其能量来源是飞机发动机输出的功率。根据动量守恒原理，机翼在对气流做功的过程中同时获得了冲量（根据冲量的定义，如果物体所受的力是大小和方向都不变的恒力F，冲量I等于恒力F与作用时间t的乘积），此处机翼所受的恒力就是气流提供的升力。简单地说，气流获得了向下的动量，机翼获得了向上的冲量，两者大小相等，方向相反。下面的两个图非常直观形象地说明了下洗气流的效果。图-95“熊”式战略轰炸机空重80~90吨，翼展50米，最大起飞重量170~190吨，巡航速度700~800km/h。为了把这个庞然大物维持在万米高空，它每平方米的机翼面积需要提供0.6吨的升力，所以机翼必须拼了老命把能够捕捉到的空气加速抛到下方以换取冲量。不妨简单估算一下。假定机翼将空气从静止加速到50m/s，则按照动量守恒公式 F*t=m*v，每平方米机翼6000N的升力需要加速的空气质量是 m = (F * t) / v = (6000*1)/50 = 120 kg 已知在万米高空的空气密度约为0.4kg/m3，则这些空气的体积是300m^3。这个数字大致是一套130平三室两厅户型住宅的全部套内可用空间。图-95的机翼面积是284平方米，它每秒钟需要将85200立方米的空气抛到下方才能维持自身的高度。这个数字如果用上面的户型来衡量，就是每层9户130平户型，一共32层的单元楼的全部房间内的空气，在一秒钟内被全部抽走。图中它身后的鸿沟就是这么来的。从图中可以直观地看到，飞机飞行的过程就是不断把机翼上方的空气垂直地拉向地面，从而获得反冲力（即升力）的过程。固定翼飞机是如此，直升机也是如此。在这个过程中，因为机翼对气流的力是垂直向下的，所以下洗气流（在扩散之前）的直接作用范围几乎严格等于机翼的投影面积。如果不是这样，则空气动力的效率就会大大降低，人类的航空工业就难以取得今天的繁荣。升力的分布量化的研究表明，一般机翼上表面形成的吸力占总升力的60-80%左右，下表面的正压形成的升力只占总升力的20-40%左右。而机翼前缘1/4的面积提供的升力通常占机翼上表面总升力的50%左右。所以机翼升力的产生主要靠上表面吸力的作用，而不是靠下表面正压力的作用。尤其不能认为：飞机被下表面的压力托举在空中，或者升力是空气从机翼下面冲击机翼的结果。正是因为机翼的上表面是升力的主要来源，所以机翼的上方必须保持光滑，飞机的发动机和机载武器都需要挂载到机翼下方，这样对升力的影响是最小的。另外，多数机翼从机身（fuselage）向翼尖（wingtip）的方向升力是越来越小的，而升力和机翼的面积大体是成正比的，所以机翼的升力变化也是同样的规律，如下图所示。下面一组图能够直观地说明升力在机翼上的分布情况。图中机翼上方的雾气是由于气压突然降低导致温度下降，空气中的水汽凝结成雾，这个过程叫做condensation。雾气的分布大致反应了升力的分布情况。升力的控制控制升力大小最直接的办法是调整机翼相对气流的迎角（angle of attack）。在一定范围内，升力的大小与迎角成线性关系。当迎角大到一定程度时，气流与机翼开始分离，气流的康达效应开始消失，机翼进入失速（stall）状态。迎角越大，气流分离点（separation point）越靠近机翼前缘，失速越严重，直到升力降为零。在不改变主翼迎角的情况下，飞机可以通过调整襟翼（flap）的位置控制弯折气流的程度。襟翼向下弯曲的角度越大，气流在垂直方向上被加速的路程就越长，提供的升力就越大，同时也意味着发动机需要输出的功率就更大。功率问题为什么说在高海拔地区特别需要功率强劲的发动机呢？主要有以下两个原因。当飞机在低速飞行时，单位时间内机翼扫过的面积较小，因此参被做功的空气总质量小，飞机获得的升力也小。此时增大升力的主要途径只有增大机翼迎角，通过提高气流速度的方法增加升力，这也就意味着需要增大发动机的功率输出，将更多的能量传递给气流，以提高气流获得的总动量。因此，飞机维持低速飞行并不能够节省燃料，反而是增加燃料消耗的。法航447 通过增大迎角提高升力是一项最基本的飞行技能。当飞机做水平直线飞行时，在发动机功率不变的前提下，增大机翼迎角会增加升力，飞机就会爬升，但是速度会逐渐下降，因为此时发动机功率并没有增加，飞机完全靠损失动能换取势能。最终的结果就是飞机的速度越来越慢，最后失速坠毁。这就是法航447航班坠机事故发生的原因，当时经验不足的副机长不知出于什么原因做出了令人匪夷所思的拉杆动作，将全机的生命带入了失速的深渊。 P.S. 机翼靠向下偏折空气以提供升力。如果有人说“不对，是伯努利原理”，请让他看看这个文章。以及这个还有人对此话题进行了非常深入的批判思考常见的错误理论既然有热心网友认为飞机上表面必须光滑是错误的，我们就进一步看一下不光滑表面的危害。飞机结冰会对气动布局造成很大的影响。当机翼和尾翼积冰时，能使飞机的空气动力特性和飞行特性显著变差。我们都知道，冰实际上是一种结晶状物体。而结晶状物体对飞机机翼造成侵蚀。根据风动测试结果，飞机外部结冰侵蚀力，相当于直径1—2毫米、大小跟食盐颗粒差不多。可能有很多观众觉得没啥大不了的，但是像这种级别的颗粒，按每平方厘米一个的密度稀疏分布在机翼上表面，会使最大升力系数在地面和自由空气两种条件下分别损失22%和33%。其造成的升力损失之大，足以使某些飞机无法起飞。如果飞机在飞行中结冰，则飞机可能会面临失速坠毁的风险。 2009年2月12日，美国大陆快运（Continental Express ） 3407 航班坠毁于纽约Buffalo 国际机场附近，距离机场跑道只有5英里远。据调查，此次事故与机翼严重结冰有关，外加超重和飞行员处置不当，最终酿成飞机失速坠毁的惨剧。

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