认识飞行(第二版)

  • 作者 [美]D.F.安德森(David F.Anderson)、S.埃伯哈特(Scott Eberhardt)
  • 译者 周尧明
  • 出版社 后浪丨北京联合出版公司
  • 出版时间 2019-7
  • 定价 68.00元
  • 装帧 平装
  • 开本 1/16
  • 页数 336
  • ISBN 9787559633453


认识飞行(第二版)

Understanding Flight(Second Edition)

后浪出版公司

普通大众的科普读物,飞行爱好者的入门优选

从飞行原理到飞机构造,了解飞行的方方面面

没有繁琐公式,拒绝复杂计算,

简明图表+牛顿三大定律,带你发现飞行的奥秘


编辑推荐

◎写给大众读者的飞行入门书

这是一本用通俗语言介绍飞行知识的书籍,书中没有复杂的数学公式和计算,也没有深奥晦涩的航空学知识,以牛顿三大定律为基础,从物理学的角度清晰地解释了飞行原理和构造知识,而且插入了一些关于飞行的趣味性内容,普通读者也能借由本书入门飞行世界。

◎涵盖飞行方方面面的实用指南

本书共有九章,从飞行的基本原理到飞机的构造知识,系统解释了有关飞行的几乎所有方面的问题,堪称一本实用的飞行知识指南。

◎航空专家经典之作,北航教授精心翻译

本书作者D.F.安德森和S.埃伯哈特均在航空领域有着三十多年的丰富经验,分别曾在费米国家加速实验室和波音公司工作。本书由北京航空航天大学周尧明副教授翻译。译者不仅严格地把控表述的精准度,对个别较难理解的地方,还专门加了注释,以便读者能快速理解。

◎双色印刷,全新编排

本书对原书的版式做了一个重新的编排,增强了图片的视觉感受,从而让读者能够对照飞机实体图片和原理图,轻松理解相关飞行知识。

  

著者简介

作者:[美]D.F.安德森(David F.Anderson)、S.埃伯哈特(Scott Eberhardt)

 [美]D.F.安德森(David F.Anderson),私人飞行员,一生热爱飞行;拥有西雅图华盛顿大学的学位和哥伦比亚大学物理学博士学位。曾在洛斯阿拉莫斯国家实验室、瑞士日内瓦的欧洲核研究组织和费米国家加速器实验室从事高能物理工作30年。

[美]S.埃伯哈特(Scott Eberhardt),私人飞行员,在波音商用飞机产品开发部从事高升力空气动力学工作;拥有麻省理工学院的学位和斯坦福大学航空航天博士学位。在西雅图华盛顿大学航空航天系工作20年后,于2006年加入波音公司。

 

译者:周尧明

周尧明,北京航空航天大学副教授,博士生导师。主要研究领域包括无人机设计、协同决策与控制、任务规划、飞机效能评估等。主持国家级、省部级项目多项,获省部级三等奖1项。出版学术专著《直升机无人化改型技术》1本,获得国家发明专利授权近20项,发表学术论文50余篇,其中SCI论文20余篇、EI论文近30篇。

 

内容简介

飞机为什么能飞上天空?

飞机可以倒着飞吗?

飞机在飞行中没油了会掉下来吗?

这是一本帮你解开飞行奥秘的入门读物。《认识飞行(第二版)》内容建立在牛顿三大定律的基础之上,从物理学角度,用通俗的语言对飞行现象和航空学原理进行了清晰、直观地描述。全书共分九章,主要介绍了飞行原理、机翼、稳定性与操纵性、飞机的推进系统、高速飞行、飞行性能、气动试验、直升机和自转旋翼机、结构等内容。为便于初学者理解,书后附录了所涉及的飞行的基本概念。书中还加入了一些有趣的知识点,以调动读者对飞行的兴趣,从而使读者真正地认识飞行。    


简  目

前 言

第1 章 飞行原理

第2 章 机 翼

第3 章 稳定性与操纵性

第4 章 飞机的推进系统

第5 章 高速飞行

第6 章 飞行性能

第7 章 气动试验

第8 章 直升机和自转旋翼机

第9 章 结 构

附录A 基本概念

附录B 伯努利原理的误用

出版后记

 

前言

长久以来,飞行一直是一个相对简单却被广泛研究的现象。然而,其中的许多现象常常被我们误解。例如,在关于飞机是如何产生升力的物理学描述中,大多数都把机翼的截面形状(翼型)作为飞机产生升力的关键因素。这些描述认为,产生升力的原因是由于机翼的上方有凸起,使得相同的气流在机翼上方比下方流动得更快、更远。然而我们都知道,有些飞机可以倒飞,此时机翼的形状倒置,如图I-1 中的“雷鸟”(Thunderbirds)战斗机所示(“雷鸟”战斗机的机翼几乎没有任何厚度),飞机一样可以飞得很好。这与升力主要是由翼型产生的这一说法相冲突。为了反驳这一悖论,一些学者提出了倒飞的飞行状态与正飞不同的理论。然而,事实上,翼型与升力的产生是没有关系的,任何关于升力的产生是依靠翼型的解释都是误导人的。这一说法将在第一章中详细讨论。这里要指出的是,翼型与机翼在巡航速度时的效率和失速特性有关。

下面,我们再来看看三个成功的机翼设计案例,这些例子明显违背了翼型是产生升力的基础这一描述。第一种设计历史悠久,如图I-2 所示,这是一款柯蒂斯(Curtis)1911 D-IV 型飞机。显然,气流流过该机翼顶部和底部的距离相同。然而,这架飞机飞行成功了,而且成为美军在1911 年购买的第二架飞机。

图I-3 所示的是一架特技飞机上的对称翼。该机翼比较厚,而且机翼上部和下部的曲率很大,这使它拥有很好的失速特性并能缓慢飞行。而图I-1中喷气式飞机的机翼虽然也是对称翼,却很薄,这样的机翼使飞机可以快速飞行,但其代价是会使飞机突然进入失速状态。

能够证明升力的产生不是依靠翼型的最后一个例子,是一种非常现代化的翼型,就是图I-4 所示的惠特科姆超临界翼型(Whitcomb Supercritical Airfoil)[美国国家航空航天局(NASA)/兰利委员会(Langley SC)(2)-0714]。这种翼型的顶部基本是平坦的,而底部则是弯曲的。显然,这与前述观点中流行翼型的形状相反,但这种翼型正是现代客机机翼设计的基础。

在关于升力产生原因的众多解释中,人们之所以强调翼型的重要性,是基于“流动时间相等”这一原则。这个原则错误地认为,无论气流流过机翼上方还是下方,都必须在相同的时间内到达机翼后缘。由于气流在机翼上方流动的路程更远,所以其流速必须更快。根据伯努利原理,这样就产生了升力。但现在,我们知道“流动时间相等”这一原则是站不住脚的,“气流流过距离更远,流动速度更快”这一陈述也是没有说服力的。这只是“流动时间相等”原则的一个变体。实际上,“流动时间相等”原则只适用于没有升力的机翼。图I-5所示的是具有升力的机翼周围气流运动状态的模拟情况。显然,机翼上方的气流早于机翼下方的气流到达后缘。事实上,升力越大,机翼上下方气流到达机翼后缘的时间差越大。第二次世界大战前后,这一通行的对于升力的解释,才开始在小学到专业飞行训练班进行讲授。在这个理论渗入这些飞行指导课之前,教授的关于升力的正确理论都认为升力是一种反作用力。

使人们相信翼型决定了升力的产生的另一个错误论据是,机翼是一个半文氏管的观点。文氏管(见图I-6)是通过限制气流的流动而工作的。随着气流的收缩,气流流动速度加快,就像是用拇指压在花园浇水的橡胶软管末端一样。根据伯努利原理,速度加快导致压力(垂直于气流流动方向的力)减小。这种巧妙的装置产生低压以将燃料吸入汽车发动机。关于机翼的争论如下:如果将文氏管的上半部分去掉,剩下的部分可以看作是一个机翼,如图I-6 所示。问题是——任何学过物理的学生都知道——此图中是不会产生升力的。如果气流水平流入又水平流出,怎么可能会产生垂直方向的力呢?关于这点,我们将在第一章中讨论。

我们写这本书,是为了推翻那些误导人们的以及不正确的理论。本书从分析升力是一种反作用力出发,介绍了升力在物理学上正确的原理。虽然这个原理的基础在半个多世纪之前已经被人们广泛应用,但是我们对其进行了很大的扩展和补充,用来解释关于飞行的其他方面的现象。

本书主要对飞行现象和航空学原理进行了清晰、直观的描述,并且尽量避免复杂的数学计算。本书内容分为两个层次,其中大多数内容适用于一般读者,他们只需要具备极少的与飞行相关的基础知识即可。在正文之外,书中有时会插入一些简短的话题,并做出评论,以对正文内容进行补充说明。这些补充性文字将会呈现在彩色背景上。跳过这些补充性文字,既不会影响正文的连续性,也不会影响对本书的理解,但是它们会使本书更富有趣味性。

第1 章“飞行原理”,是我们研究升力和飞行的切入点。我们相信,这一章给出了迄今为止最完整、最正确的关于升力的物理学描述。和之前已有的描述一样,我们也用牛顿三大定律来解释升力的物理学原理。但与其他人不同的是,从前述的理论逻辑出发,我们用的这种描述可以解释几乎所有关于飞行方面的问题。这样可以使读者更直观地了解关于飞行的知识,而不像以往那样,通常只涉及数学方面的原理和解释。例如,飞机减速时为何要增大机翼的迎角?飞机高速飞行时为何产生升力所需的功率会减少?为何对称的机翼可以应用于飞机上且飞机可以倒飞?诸如此类的问题,读者都可以通过阅读本书找到答案。

在本书的第一版中,“基本概念”这一章对飞机的基本术语和概念做了介绍,为读者和作者展开对飞行和航空的讨论,提供了一套共同的标准。然而,我们发现这章一次性介绍了太多的信息,作为一本普及性的书籍,放在开头显得混乱且没有必要。在本书中,我们将原来的这一章作为附录A 放在书后。如果读者是飞行领域的初学者,应当首先快速翻阅附录A,以作为阅读本书的参考。

本书还增加了两章内容,其中一章是“直升机和自转旋翼机”。在此之前,我们没有在任何一本书中找到关于直升机与自转旋翼机的具有可读性的、完整的讨论。写过这一话题的书籍,要么太过强调数学理论,要么太过详细烦琐或者不够完整。比如直升机的功率曲线等话题,就从未有书用物理学术语解释过。

增加的另外一章是对飞机结构的简短讨论。这章主要是向读者简要介绍飞机的构造。

总之,本书是一部用物理学术语直白地介绍飞行原理的完整教程,简单易懂,适合所有初学者阅读。

 

出版后记

《认识飞行》是专业人士写给大众读者的科普读物。本书英文初版由麦格劳公司于2000 年出版。后来,作者增加了两章内容并调整了结构,2010年修订再版。2011 年航天工业出版社出版了第二版的中文版。此次出版,我们邀请了国内航空领域的专家重新翻译,并做了一个全新的视觉呈现。

本书作者D.F. 安德森和S. 埃伯哈特都是私人飞行员,两人分别拥有哥伦比亚大学物理学博士学位和斯坦福大学航空航天博士学位,从事过多年航天相关工作。为了使普通读者能够认识并理解飞行,同时推翻那些误导人们的理论,所以写了这本书。本书对飞行现象和航空学原理进行了清晰、直观的描述,并且尽量避免复杂的数学计算,对飞行感兴趣的大众读者都能轻松阅读。

本书译者周尧明是北京航空航天大学副教授、博士生导师,主要研究领域包括无人机设计、飞机效能评估等。在翻译过程中,译者不仅严格地把控了专业术语和相关原理,对个别较难理解的地方,还专门加了注释,以便读者能快速理解。

本次出版,希望呈现给读者一本能够轻松阅读的严谨之作,让读者读完本书后能真正地认识飞行。

服务热线:133-6631-2326 188-1142-1266

读者信箱:reader@hinabook.com

后浪出版公司

2019 年7 月

 

正文赏读

 

第1章 飞行原理

一、升力产生的物理学原理

喷气式发动机和螺旋桨通过将气流推向后方而产生推力,直升机的旋翼通过将气流推向下方而产生升力。图1-1 所示为一架悬停在水面上的直升机,其产生的下洗流清晰可见。同样地,固定翼飞机的机翼也是通过将气流推向下方而产生升力的。总之,喷气式发动机、螺旋桨、直升机旋翼、固定翼飞机的机翼都是通过相同的物理学原理工作的,即将气流向相反的方向加速而产生所需要的升力或推力。

本章主要基于牛顿三大定律,介绍升力的物理学原理。这样的描述有助于读者理解与飞行相关的许多现象,而这是通过其他描述做不到的。这种方法可以使读者很清楚地了解升力是如何随着速度、密度、载荷、迎角和机翼面积等参数的变化而变化的。本章介绍的原理不仅适用于低速飞行,同时也适用于超声速飞行,还可以帮助飞行员直观地了解飞机的特点和局限性。根据本书内容,读者可以很容易地理解为什么飞机的迎角需要随着飞机速度的降低而增加,为什么飞机的机动飞行速度(湍流中飞机的最大速度)需要随着载荷的减少而下降,以及为什么低速飞行时发动机的功率需要加大等问题。

升力是一种反作用力,也就是说,机翼通过把气流推向下方而产生升力。既然我们都知道,螺旋桨通过把空气推向后方而产生推力,直升机的旋翼通过把空气推向下方而产生升力,如果将螺旋桨和旋翼看作简单的旋转机翼,那么关于机翼通过将空气推向下方而产生升力的这一解释就很好理解了。

应当注意的是,升力不是由于空气撞击机翼的下表面并向下偏转而产生的。这种误解相当普遍,也是艾萨克牛顿(Isaac Newton)爵士所持有的观点。牛顿爵士产生这种误解,是由于他不了解机翼上空气流动的细节,他认为空气是碰到机翼的下表面而流向下方的。确实,会有一些升力来源于机翼下表面转向的气流,但是大部分的升力是由于机翼上表面气流的作用而产生的。我们在后文会介绍到,这主要是因为机翼上方形成的低压使气流加速流向下方。

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图1-1 悬停于水面上的直升机的下洗流(照片由美国空军提供)

 

二、牛顿三大定律

牛顿三大定律是理解飞行原理的最有利的工具。它们不仅易于理解,而且应用广泛,小到低空蚊子的飞行、大到宇宙中星系的运动全部适用。本章先介绍牛顿第一定律[1]:若物体不受到外力作用,那么静止的物体将保持静止,运动的物体将保持匀速直线运动。

从飞行的角度来讲,牛顿第一定律意味着如果一个空气团或者气泡从静止状态开始运动,那么就一定有一个力作用其上。同样,如果气流的运动方向发生转变,例如气流碰到机翼时转向,也一定有一个力作用其上。而在连续体中,例如空气,这种力通常表现为压力差[2]

这里我们不按照顺序,接着介绍牛顿第三定律:每一个力都会有一个大小相等、方向相反的反作用力。

这一定律很容易理解。当你坐在椅子上时,你就对椅子施加了一个力,而椅子也会施加一个大小相等、方向相反的力给你。你对椅子施加的力是作用力,而椅子施加给你的力就是反作用力。也就是说,椅子把你施加的力反作用于你。我们再来看另一个例子,是关于机翼上气流的流动转向的。从牛顿第一定律得知,气流的转向一定受到了外力的作用,而牛顿第三定律又告诉我们,气流一定会对造成它转向的物体施加一个大小相等、方向相反的力,而这个物体就是机翼。气流转向下方时,一定受到了一个向下的力的作用,根据牛顿第三定律,气流同时对机翼作用一个大小相等的向上的力。使空气流动的力是作用力,而作用于机翼上的力就是反作用力,即升力。

相比上述两条定律,牛顿第二定律稍微有些难以理解,但是在用来理解飞行相关的许多现象时,是更加有用的。牛顿第二定律最常见的形式是学生在早期的物理课程中所学的:

F = ma

也就是说,力等于质量乘以加速度。

这种形式的牛顿第二定律,可以计算出加速一定质量的物体所需要的力的大小。对于空气流动的描述,我们可以使用这一定律的替代形式应用在喷气发动机、火箭或者机翼的升力上。应用在火箭上的牛顿第二定律的替代形式可以表述为:火箭的推力等于单位时间内气体的排出量乘以该气体的速度。

前述形式的牛顿第二定律告诉了我们如何计算火箭引擎产生的推力。单位时间内排出的气体量可以磅每秒(lbm/s)或者千克每秒(kg/s)为单位。气体的速度可以英尺每秒(ft/s)或者米每秒(m/s)为单位。而为了使推力加倍,必须使单位时间内排出的气体量增加一倍,或者使气体的速度增加一倍,又或者由两者组合改变达成。

下面我们结合牛顿第二定律来看一下机翼周围气流的流动情况。图1-2所示为机翼周围的气流流动图,气流先是接近机翼,然后在碰到机翼后发生分流,最后在机翼的后方汇合,并沿最初的方向流动。这种情况下机翼是没有升力的,因为没有施加于空气上的作用力,因此,机翼上也就没有受到反作用力(升力)。如果机翼没有对空气施加净作用力,空气也就不可能对机翼产生作用力。现在再来看另外一张机翼周围空气流动的图片,如图1-3 所示。图示的气流在机翼周围分离,经过机翼后以稍微向下的角度离开机翼。这种下行的气流称为下洗流,产生下洗流的作用力的反作用力即为升力。在这幅图中,气流经过机翼后,受到了一个净作用力,因而气流受到作用力后产生一个反作用力作用于机翼上。这个反作用力就是升力。

如果用一句话来总结机翼是如何产生升力的,那么可以表述为:机翼是通过把气流推向下方而产生升力的。其原理与螺旋桨通过把气流推向后方而产生推力一样。

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图1-2 基于牛顿第二定律,这个机翼没有升力

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图1-3 具有升力的机翼周围的空气流动情况

 

三、通过机翼后气流的转向

通常,简单的描述会产生更多的问题。一个很自然的问题是,为什么气流在机翼周围会转向?这个问题可能是在理解飞行原理过程中最有挑战性的问题,而且是最关键的问题之一。

首先,我们来看一个简单的示例。将一个玻璃杯水平放置靠近水龙头里流出来的水流,直到杯子外表面刚刚接触到水流,如图1-4 所示。这时,水流会环绕玻璃杯流动。根据牛顿第一定律,为了使水流弯曲,必须有一个力作用其上,而且这个力是朝向水流弯曲的方向的。根据牛顿第三定律,我们知道一定有一个和这个力大小相等、方向相反的力作用于玻璃杯上。水流图1-4 水流绕玻璃杯流动施加在玻璃杯上的力,将玻璃杯推向水流,而不是像人们起初预料的那样将玻璃杯推开。

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图1-4 水流绕玻璃杯流动

 

那么,为什么水流会环绕玻璃杯流动,或者说为什么气流会绕机翼流动呢?首先我们来考虑低速(亚声速)飞行的情况。在低速飞行中,作用在气流上的力和压强都很小,所以此时的空气可以认为是不可压缩的流体。这就意味着在低速飞行时,一定质量的空气体积不会改变,并且气流之间不会相互分离产生间隙。

接下来我们要了解的是,流线之间是彼此联系的。在稳态飞行中,可将流线看作是流动的空气中粒子移动的路径。这是气流流过机翼时,一个小而轻的物体将会采取的路径。流线之间的联系表现为压强和黏性。压强指的是单位区域内,空气对邻近流线造成的力。气体或液体间的黏性类似于固体之间的摩擦。

现在我们来分析一下相邻的两条不同速度的流线。由于这两条流线具有不同的速度,所以它们之间的“摩擦力”会使较慢的那一条流线加速,并使较快的那一条流线减速。由黏性的原理得出,机翼表面的空气速度相对于机翼表面的速度为零。空气的速度随着其距机翼表面距离的增加而增加,如图1-5 所示。现在假设第一条速度不为零的流线刚刚掠过了机翼顶部的高点,如果这条流线不是跟随机翼的方向,而是沿着原来的方向继续向后流动,那么它和机翼之间一定有一团速度为零的空气。黏性力会将这团空气从机翼表面带走,同时没有别的流线来补充,所以此处压强会降低。这种降低了的压强会使流线弯曲,直到它沿机翼的表面流动为止。

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图1-5 机翼表面附近流体的速度变化

 

按照之前的分析,下一条流线跟随前一条流线,以同样的过程使运动轨迹产生弯曲,之后的流线以此类推。在机翼表面很近的距离内,流线的速度随着距机翼距离的增加而增加。例如在空客A380(Airbus A380)机翼的后缘,这一很近的距离大约为6 英寸[3]。这个流线速度快速变化的区域称为边界层。如果这一流动不是湍流的话,那么边界层就称为层流边界层。

因此,流线是由于压强的降低而弯曲的。这就是机翼顶部的气流会弯曲、机翼上方的压强会减小的原因。而且这个压强的降低会随着距机翼距离的增大而逐渐减小,这是升力产生的基础。压强的降低产生的变化以声速传播出去,导致大量的空气在机翼周围弯曲。

流线之间的交流是以分子模式进行的,表现为空气的压力和黏性。没有黏性,流线之间就不会有交流,也就没有边界层一说。通常,升力的计算是在无黏性的极限条件下进行的。在这些情况下,库塔- 茹科夫斯基(Kutta-Joukowski)定理重新隐式地引入了黏性,这要求空气在机翼的后缘平滑地离开。另外,近似计算还要求空气跟随在机翼的表面,这是引入黏性的另一个条件。在计算中近似消除黏性影响的结果就是,不必计算边界层的数据。

应当注意的是,机翼顶部均匀流的速度比自由流的速度(离机翼一定距离处未受干扰的气流速度)要快。气流的转向导致机翼上方的压强降低,压强的降低导致气流加速。我们通常认为是气流的加速导致压强的降低,但其实是压强的降低导致了气流的加速,这与牛顿第一定律相符。

图1-6 所示为机翼周围空气的绕流情况。要使气流弯曲,就需要一个力的作用。如图中彩色箭头所示,作用在气流上的力的方向垂直于气流弯曲的方向。而且,力的大小与流线弯曲的程度成正比。气流弯曲得越厉害,作用在其上的力就越大。如图中黑色箭头所示,作用在机翼上的力与作用在气流上的力大小相等、方向相反。这些力是通过压强的作用产生的,代表了力转移到机翼上的原理。

再来看图1-6 中代表着作用于机翼上的力的黑色箭头。这里有两点需要注意。第一,大部分的升力都作用在机翼的前部。事实上,在亚声速下飞行时,机翼总升力的一半是在弦长(从机翼的前缘到后缘的距离)的前1/4长度上产生的。第二,图中机翼前缘的箭头向前倾斜。因此,这种升力不仅使机翼有上升的趋势,还使其有向前的趋势。如果整个机翼上各点的升力都是这样,那当然是很好的事,但遗憾的是,机翼后缘水平方向的力把这部分向前拉动的力平衡掉了。

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图1-6 作用在气流上的力及作用在机翼上的反作用力

 

现在我们理解了机翼为何能产生升力。简言之,就是气流在机翼周围发生转向,从而产生了下洗流。牛顿第一定律指出,气流的转向需要有一个作用其上的力,而牛顿第三定律则表明,这个力的产生伴随着一个大小相等、方向相反的力,这就是升力。通过机翼两侧的压力差,由于气流转向而产生的升力就传递给了机翼,这就是机翼获得升力的机理。

 

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