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1、精选优质文档-倾情为你奉上封面华中师范大学航天与航空课程报告一 报告题目 飞机飞行原理及实例分析 学 号 _ 姓 名 胡梦真 院 系 法学院 班 级 号 2班 完成时间日期；2017.11.28飞机飞行原理及实例分析摘要：自古以来，人类对于升空飞行有着无限的憧憬和祈盼。人类探索航空的过程是漫长的，最初法国的罗齐尔和达尔朗德乘蒙特哥菲兄弟发明的热气球第一次升上天空，开创了人类航空的新时代。此后，人类开始了对于飞行器的研究，美国的莱特兄弟发明的带动力装置的飞机第一次试飞成功，人类的航空事业开启了崭新的一页。那么，飞机究竟是如何飞上天空的呢？本文将从飞机的定义，结构，飞行原理以及具体举例说明这一问题
2、。关键词：飞行原理，伯努利定理，机翼。“我们要做一个强国，就一定要把装备制造业搞上去，把大飞机搞上去，起带动作用、标志性作用。中国是最大的飞机市场，过去有人说造不如买、买不如租，这个逻辑要倒过来，要花更多资金来研发、制造自己的大飞机。”- 2014年5月23日，习近平在中国商飞设计研发中心考察调研时说道。 相传2000多年前，春秋战国时期的鲁班就曾削竹为鹊，“做木鸢以窥宋城”。公元前202年，刘邦集中韩信、彭越、英布等40万大军，把项羽围困在垓下（今安徽灵壁县），这时项羽兵力不过10万，粮草也快吃完了。韩信为瓦解项羽的军心，用牛皮制作了一只风筝，下置善笛之人吹思乡之曲，又命围攻汉军，高唱楚歌，
3、其声悲怨，动摇了楚军的军心，留下了“四面楚歌”的历史典故。红楼梦中薛宝钗所作之诗“好风凭借力，送我入青云”。他们必然无法料到，几百年后的今天，人类竟果真将自己的事业发展到了天空。二十世纪最重大的发明之一，是飞机的诞生。毕竟人类自古以来就梦想着能像鸟一样在太空中飞翔。在不到100年前，即使是最快的船只，也要用一个星期以上的时间横渡大西洋。今天，大型的喷射机可以不超过七小时就飞完这个4800公里的航程。飞机是最快的交通工具，因为它可以飞越高山和海洋等障碍物。高功率的喷射引擎使最快的战斗机达到每小时3200公里的速度比声音速度快三倍。甚至最普通的喷射客机速度也可达到每小时850公里。飞机能够载重上百
4、吨腾空而起，不但飞行速度快而且飞行距离长，这恐怕是现代科学技术最令世人惊奇的成就之一。据说，在太平洋的某些小岛上居住的原始居民，他们至今还仍然供奉着一些形如飞机的偶像。他们认为在第二次世界大战时天空中掠过的美军飞机是天神派下来的使者，使他们感到敬畏。 那么，飞机究竟是如何凭借风力，飞升于青云之间？且听笔者细细言之。一、 何为飞机。（一）飞机的定义 要明白飞机的飞行原理，首先要明了飞机的概念。对于飞机的定义问题，百度百科给出了以下解释：飞机是指具有一具或多具发动机的动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。飞机是最常见的一种固定翼航空器。按照其使用
5、的发动机类型又可被分为喷气飞机和螺旋桨飞机。20世纪初，美国的莱特兄弟在世界的飞机发展史上做出了重大的贡献。在1903年制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者”1号，并且获得试飞成功。他们因此于1909年获得美国国会荣誉奖。同年，他们创办了“莱特飞机公司”。自从飞机发明以后，飞机日益成为现代文明不可缺少的运载工具。它深刻的改变和影响着人们的生活。 （二）飞机的分类飞机不仅广泛应用于民用运输和科学研究，还是现代军事里的重要武器，所以又分为民用飞机和军用飞机。按机翼的数目，可分为单翼机、双翼机和多翼机。按机翼相对于机身的位置，可分为下单翼、中单翼和上单翼飞机。按机翼平面形状，可分为平
6、直翼飞机、后掠翼飞机、前掠翼飞机和三角翼飞机。按水平尾翼的位置和有无水平尾翼，可分为正常布局飞机（水平尾翼在机翼之后）、鸭式飞机（前机身装有小翼面）和无尾飞机（没有水平尾翼）；正常布局飞机有单垂尾、双垂尾、多垂尾和V型尾翼等型式。按用途可分为战斗机、轰炸机、攻击机、拦截机。按推进装置的类型，可分为螺旋桨飞机和喷气式飞机；按发动机的类型，可分为活塞式飞机、涡轮螺旋桨式飞机和喷气式飞机；按发动机的数目，可分为单发飞机、双发飞机和多发飞机。按起落装置的型式，可分为陆上飞机、水上飞机和水陆两用飞机。还可按飞机的飞行性能进行分类：按飞机的飞行速度，可分为亚音速飞机、超音速飞机和高超音速飞机。按飞机的航程
7、，可分为近程飞机、中程飞机和远程飞机。 （三）飞机的结构大多数飞机由五个主要部分组成：机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置。1. 机翼。机翼的主要功用是为飞机提供升力，以支持飞机在空中飞行，也起一定的稳定和操纵作用。在机翼上一般安装有副翼和襟翼。操纵副翼可使飞机滚转；放下襟翼能使机翼升力系数增大。另外，机翼上还可安装发动机、起落架和油箱等。机翼有各种形状，数目也有不同。在航空技术不发达的早期为了提供更大的升力，飞机以双翼机甚至多翼机为主，但现代飞机一般是单翼机。在机翼设计的过程当中，经常提到的一个矛盾是飞机的稳定性和操作性两个方面，上单翼飞机好像提起来的塑料袋，他非常的稳定，但是操作性稍微差一
8、点；下单翼飞机好像托起来的花瓶，操作性很灵活，但是稳定性就稍微逊色一点。所以民用飞机一般采用上单翼设计，而表演用途或者其他对操作性要求高的的飞机都采用下单翼设计。2. 机身机身的主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备；还可将飞机的其它部件如尾翼、机翼及发动机等连接成一个整体。但是飞翼是将机身隐藏在机翼内的。3. 尾翼。 尾翼包括水平尾翼（平尾）和垂直尾翼（垂尾）。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成（某些型号的民用机和军用机整个平尾都是可动的控制面，没有专门的升降舵）。垂直尾翼则包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的主要功用是用来操纵飞机俯仰和偏转，以及保证飞机能平稳地飞行
9、。4. 起落架。起落装置又称起落架，是用来支撑飞机并使它能在地面和其他水平面起落和停放。陆上飞机的起落装置，一般由减震支柱和机轮组成，此外还有专供水上飞机起降的带有浮筒装置的起落架和雪地起飞用的滑橇式起落架。它是用于起飞与着陆滑跑、地面滑行和停放时支撑飞机。一般的飞机起落架有3个支撑点，根据这三个支撑点的排列方式，往往分为前三角起落架和后三角起落架。其中，前三角起落架指前面一个支撑点，后面两个支撑点的起落架形式，使用此类起落架的飞机往往静止时仰角较小，在起飞时很快就可以达到很高的速度，瞬间机翼的两面风速差达到临界，飞机得到足够的升力后即可起飞；后三角起落架采用的是前面两个支撑点，后面一个支撑点
10、的形式，使用此类起落架的飞机往往静止时仰角较大，当飞机在跑道上达到一定的速度的时候，机翼两面的风速差即可达到一个临界，此时后起落架会被抬起，驾驶员继续推油门杆，同时向后拉操作杆以控制飞机平衡，当速度达到一定的值时，飞机即可起飞。5. 动力装置。动力装置主要用来产生拉力或推力，使飞机前进。其次还可以为飞机上的用电设备提供电力，为空调设备等用气设备提供气源。现代飞机的动力装置主要包括涡轮发动机和活塞发动机两种，应用较广泛的动力装置有四种：航空活塞式发动机加螺旋桨推进器；涡轮喷射发动机；涡轮螺旋桨发动机；涡轮风扇发动机。随着航空技术的发展，火箭发动机、冲压发动机、原子能航空发动机等，也有可能会逐渐被
11、采用。动力装置除发动机外，还包括一系列保证发动机正常工作的系统，如燃油供应系统等。飞机除了上述五个主要部分之外，还装有各种仪表、通讯设备、领航设备、安全设备和其它设备等。这些都是飞机赖以飞行的基础。二、 飞机因何而翱翔天际。 要明白飞机是如何翱翔在天际的，首先要明白一个定理，即伯努利定理。 在一个流体系统，比如气流、水流中，流速越快，流体产生的压力就越小，这就是被称为“流体力学之父”的丹尼尔伯努利1738年发现的“伯努利定理”。伯努利定理的内容是：由不可压、理想流体沿流管作定常流动时的伯努利定理知，流动速度增加，流体的静压将减小；反之，流动速度减小，流体的静压将增加。但是流体的静压和动压之和，
12、称为总压始终保持不变。伯努利定理是飞机起飞原理的根据。 于是，根据伯努利定理，当飞机滑动时，机翼上侧的空气压力要小于下侧，这就使飞机产生了一个向上的升力（负压力）。当飞机滑行到一定速度时，这个升力就达到了足以使飞机飞起来的力量。于是，飞机就上了天。所以可以这样说，飞机的升空不是托上天的，而是被“压”上天的。说得再直观点：假设上表面流管截面积为S1，下表面截面积为S2，上表面流量为Q1，下表面流量为Q2，上表面速为V1，下表面流速为V2，则：Q1=S1V1，Q2=S2V2，因为Q1=Q2，S1小于S2，所以V1必大于V2（注：Q单位为立方米每秒）。根据伯努利定理：“流体速度越快，其静压值越小（静
13、压就是流体流动时垂直于流体运动方向所产生的压力）。”因此上表面的空气施加给机翼的压力F1小于下表面的F2。F1、F2的合力必然向上，这就产生了升力。这一环量最终产生的升力大小亦可由库塔-茹可夫斯基方程计算：L（升力）=V（气体密度流速环量值）这一方程同样可以计算马格努斯效应的气动力。升力的原理就是因为绕翼环量（附着涡）的存在导致机翼上下表面流速不同压力不同。以风筝为例，风筝在牵线的拉力下与风向必须呈一个适当的角度才能飞起。根据经验如果风筝和风向成为直角，风筝飞不起来，因为这时风筝受的力只会是向后的，没有向上的升力。如果风筝和风向是平行的，风从风筝上下两面吹过，它仍然没有升力，风筝将在风中飘落，
14、这是断线风筝的情况。只有当风筝与风向形成一个适度的锐角，风在风筝上形成了一个向后上方的力，风筝才会冉冉升起。 风筝平面与风向形成的夹角被称之为迎角；风在风筝上产生的向后的力被称之为阻力，向上的力被称之为升力；总的合力被称为空气动力。当迎角为90度时，也就是风向与风筝平面垂直，这时的风只产生阻力，你只能用手拉紧风筝线，拉力与阻力平衡，风筝才不至于被刮跑；当迎角为0度时，风筝基本不受风力的作用，由于自身的重量它会逐渐飘落；只有在风筝的迎角是处于一定的锐角时，这时的空气动力也就是风的作用力变为向后向上的力，驱使风筝升空遨游。此时的空气动力可以被分解为两个力：向后的力是阻力，向上的力即升力。在升力的作
15、用下，风筝升空。风筝的阻力通过牵线与手的拉力平衡，而升力则与风筝的重力平衡，于是千姿百态的风筝上升到一定高度后才会在蔚蓝的天空中飘舞。人类若想借助风筝升天的原理使自己也能飞上天，必须解决两个很关键的问题：一是必须自己造出“风”，不再受大自然的摆布；二是必须要制造出能够控制迎角的平面，从而产生足够的升力。怎么才能造出“风”来呢?人类在苦苦思索很久后，终于在公元17世纪时由伟大的英国物理学家牛顿解决了这个难题。牛顿指出运动是相对的。对于航空器来说，自然界的风是因空气相对于地面流动而产生的，因此如果在没有自然风的状况下，我们可以让航空器自身首先运动起来，使空气从它的周边流过，从而产生出与自然风效果相
16、同的“人造风”。与此同理，在没有自然风的天气，如果有人牵着风筝快跑，同样也可以放飞风筝。结论是：人类中聪明的制造者们只要能想出办法让航空器动起来，就一定能造出托举飞机升空的“风”。 对于使飞机升天的第二个关键问题的探索，也就是如何制造出可控的迎角平面、使飞机产生足够的升力的问题，研究进展比较缓慢。一直到1738年瑞士物理学家伯努利在研究流体(包括气体和液体)的流动时，他发现了流体在流动时压力和流速的关系，这才从理论上阐明为什么重于空气的物体可以升上空中的原因，即上述伯努利定律。下面再回到飞机本身来讨论。飞机的升力绝大部分是由机翼产生，尾翼通常产生负升力，飞机其他部分产生的升力很小，一般不考虑。
17、从上图我们可以看到：空气流到机翼前缘，分成上、下两股气流，分别沿机翼上、下表面流过，在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出，流管较细，说明流速加快，压力降低。而机翼下表面，气流受阻挡作用，流管变粗，流速减慢，压力增大。这里我们就引用到了上述两个定理。于是机翼上、下表面出现了压力差，垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样重于空气的飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力，从而翱翔在蓝天上了。三、 例证之滑翔机。滑翔机是指不依靠动力装置飞行的重于空气的固定翼航空器，起飞后仅依靠空气作用于其升力面上的反作用力进行自由飞行，大多没有动力装置。可由飞机拖曳起飞，也可用绞
18、盘车或汽车牵引起飞，还可从高坡上下滑到空中。在无风情况下，滑翔机在下滑飞行中依靠自身重力的分量获得前进动力；在上升气流中，滑翔机可像老鹰展翅那样平飞或升高。滑翔机具有与飞机显著不同的狭长机翼（即较大的机翼展弦比），机身外形细长，呈流线体。高级滑翔机的机翼展弦比可达30以上，在设计上趋向于驾驶员躺卧舱中，以便减小机 身截面积。机体表面光滑，甚至打蜡，借以提高滑翔机的升阻比，减小滑翔飞行中的下滑角。人们常用滑翔比（滑翔中前进距离与下沉高度之比）来衡量滑翔性能的优劣。由滑翔飞行的平衡关系可知，滑翔比与升阻比相等。现代高级滑翔机的升阻比最高已超过50。有的滑翔机机翼上还装有可操纵打开的减速板，用于在必
19、要时增加阻力，或是在着陆下滑时调整下滑角，以便在指定地点准确着陆。动力滑翔机装有小型辅助发动机，不须外力牵引即可自行起飞，当到达预定高度时关闭发动机进行基本的滑翔飞行。动力滑翔机可提高训练飞行的效率和安全性。那么滑翔机的飞行原理是怎样的呢，解释如下：飞机必须以升力克服重力，以推力克服空气阻力才能飞行。飞机产生升力是借助机翼截面拱起的形状，当空气流经机翼时，上方的空气分子因在同一时间内要走的距离较长，所以跑得较下方的空气分子快，造成在机翼上方的气压会较下方低。如此，下方较高的气压就将飞机支撑著，而能浮在空气中。这就是所谓的伯努利（十八世纪荷兰出生，后来移居瑞士的数学与科学家）原理。根据伯努利原理
20、，飞机速度愈快，所产生的气压差（也就是升力）就会愈大，升力大过重於重力，飞机就会向上窜升。滑翔机没有引擎的动力，它可以靠四种方式升空：(1)弹射器 将滑翔机架设在弹力绳并向後拉，由驾驶员给予讯号後释放绳索而弹射出去。(2)汽车拖曳 将滑翔机系绳於车上拖曳达适当高度後，驾驶员将绳索松开。(3)绞车拖曳 与汽车拖曳相似，只是利用固定在地上以马达驱动的绞车来拉滑翔机。(4)飞机拖曳 以另一部有动力的飞机拖至一定的高度后，滑翔机脱离而自由翱翔。滑翔机升空后，除非碰到上升气流，否则空气阻力会逐渐减缓飞机的速度，升力就会愈来愈小，重力大於升力，飞机就会愈飞愈低，最後降落至地面。为了让滑翔机能飞得又远又久，
21、它必需有很高的升力阻力比，这就是为什麼滑翔机的机翼那麼细长，如何突破滞空时间以及飞行高度的纪录是滑翔机设计与制造的最大挑战。滑翔是一种需要高度技巧与飞行知识，借助自然能量遨游天空的运动。四、 结语 自从莱特兄弟1903年第一次进行了有动力的飞行后，时间仅之过了70多年人类就突破了平流层，进入到了外层空间。时至今日，世界上没有哪个表面能躲过卫星的窥视。达芬奇的梦境和设想成为了现实。 不忘初心，方得始终。纵观我国的飞行技术发展史，许多年轻有为的科学家为我国航天科技的发展做出了巨大贡献，从古时期的万户敢于挑战利用火箭飞行，再到冯如自制飞机在国际社会上进行飞行表演，不断的展现着我们中华民族强有力的民族精神以及创新精神。创新是一个国家进步的灵魂，让我们国家独立自主开发研制的飞机飞上美丽的蓝天，是我们每一位炎黄子孙的梦想，也是我们每人心中的中国梦，相信美丽勇敢的中国人能在未来开发出自己的一片飞行蓝图。参考文献：顾诵芬主编.世界航空发展史.郑州:河南科学技术出版社,2000 佩什科夫.飞机发展的主要几个阶段.秦王钊,顾诵芬译.北京:航空工业出版社,1989 中国大百科全书编辑委员会.中国大百科全书航空航天卷.北京:中国大百科全书出版社,1985 王道荫主编.面向21世纪的航空技术.北京:航空工业出版社,1994 史超礼.航空概论.北京:国际工业出版社,1978 专心-专注-专业