飞机阻力的构成及其系数解析

飞机阻力的构成及其系数解析

飞机在飞行过程中会受到各种阻力的影响，这些阻力不仅影响飞行效率，还关系到飞机的设计和性能。本文将详细介绍飞机阻力的构成及其相关系数，帮助读者更好地理解飞机的空气动力学原理。

整架飞机的空气动力就是飞机各部分所受到的空气动力的总和。由于飞机的升力主要是机翼产生的，其他部分包括尾翼在内产生的升力都很小，所以认为整架飞机的升力都是由机翼提供的，不会产生多大误差。
至于阻力，飞机的各部分都会产生，而且因为部件与部件之间的干扰作用，使总的阻力有时会比这些部件单独阻力的总和还多。

翼型阻力

翼型的阻力主要由两部分组成：摩擦阻力和压差阻力。

摩擦阻力又称表面阻力，是由于空气黏性作用产生；压差阻力又称形状阻力，是由于物体前后压力不同而产生。

摩擦阻力
在飞行中，空气贴着飞机表面流过，由于空气具有粘性，与飞机表面发生摩擦，产生了阻止飞机前进的摩擦阻力。

物体表面的光滑程度直接影响到气流的流动，所以减小摩擦阻力的主要办法是尽量把物体表面加工得光滑一些，以减少表面上各种凸起物阻碍气流流动。

压差阻力
主要决定于物体的形状，不过产生这种阻力的根本原因与空气黏性有关。相对气流流过机翼时，机翼前缘的气流受阻，流速减慢，压力增大；而机翼后缘气流分离，形成涡流区，压力减小。这样，机翼前后产生压力差形成阻力。这个阻力称为压差阻力。

用圆球举例，当气流流过圆球时，流动的情况如图a所示，圆球前后上下的压强分布相同，所以也没有压差阻力；只在空气有黏性时，气流流过圆球表面损失了一些能量，不能绕过圆球回到圆球的后面去，于是产生气流分离现象，如图b所示。这时圆球后面的气流形成涡流区，压强在圆球前面较低，于是前后压力差产生压差阻力。

很明显，要想减小压差阻力必须减少物体后面的涡流区，增大物体后面气流的压强，一般流线型的物体能很好地满足这一要求。气流流过良好流线型物体所产生的阻力只有圆球阻力的1/5左右。

机翼阻力

如果机翼的展长是无限大，则机翼的气动特性如升力特性、阻力特性、力矩特性和翼型的相应特性没有区别。但实际上所有飞机的翼展都是有限的，这就带来机翼区别于翼型的三维效应。

机翼阻力主要分为摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力。

诱导阻力
又称感应阻力，这是机翼所独有的一种阻力。因为这种阻力是伴随着机翼上升力的产生而产生的，因此可以说它是为了产生升力而付出的一种代价。

升力的产生来源于机翼上、下表面的压强差，即下表面的压强大于上表面。翼尖附近的气流在压差的作用下，下翼面的高压气流会绕过两端翼尖，向上翼面的低压区流去。这样既减小了升力，又产生了阻力，这就是诱导阻力。

整机阻力

飞机飞行中所受到的空气阻力，分成四大类。分别是摩擦阻力、压差阻力、寄生阻力及诱导阻力，飞行阻力是这四种阻力的合成。

寄生阻力
也称附加阻力、杂散阻力或废阻力，是指物体在流体中运动，由于流体黏度或压强差所造成之阻力。寄生阻力主要可以分为摩擦阻力、压差阻力及干扰阻力三种。

其中摩擦阻力及压差阻力之和也称为型阻。若物体附近有其他相邻近的物体，会产生干扰阻力，有时也会视为寄生阻力的一部分。

一般来说，对于流线型物体，如飞机的机身，产生的阻力中摩擦阻力占总阻力的大部分；而对于非流线型的物体，如平板、圆球等，压差阻力在总阻力中占主要地位。但不管哪一种阻力都是直接或间接由空气黏性的影响而产生的。

波动阻力
**若速度已到达穿音速或超音速时，除了寄生阻力及诱导阻力外，还会产生波动阻力。**

寄生阻力与诱导阻力之间的关系
低速时由于飞机要维持升力，需要加大攻角，而诱导阻力也随之提高。当速度提高时，诱导阻力下降，由于物体和流体之间的相对速度提高，寄生阻力也随之提高。
**摩擦阻力、压差阻力、寄生阻力与速度的平方成正比，诱导阻力则与速度的平方成反比。速度提高时，诱导阻力下降，其他阻力却随之上升，因此总阻力会在某一速度时出现最小值。**
若飞机以此速度航行，其效率会等于或接近其最佳效率。不过若要使续航能力最大化，飞机的速度需保持在需输出功率最小的速度，此速度一般会比对应最小阻力的速度要小。
在最小阻力点，零升力阻力系数（当升力为零时的阻力系数）会等于诱导阻力系数。但在输出功率最小的速度，零升力阻力系数会是诱导阻力系数的三分之一。

机翼的阻力系数

机翼的阻力可以用下式来表示：

其中
式中 为零升力阻力系数。
诱导阻力系数：
式中：
    ——机翼的升力系数；
    ——机翼的展弦比。
从式中可看到，展弦比愈大诱导阻力便愈小。不过必须注意，用这个公式计算时，还要考虑到机翼的平面几何形状。
这个公式适用于椭圆形和梯形机翼，如为长方形加椭圆翼尖的机翼，诱导阻力比用这公式算出来的值大5％～10％，也就是说还应乘上1.05～1.10。

整机的总阻力系数

知道整架飞机的总废阻力系数后，再加上机翼的诱导阻力系数，便是整架飞机的总阻力系数

式中：
    ——飞机的总阻力系数；
    ——飞机的总废阻力系数；
    ——飞机的诱导阻力系数。
利用总阻力系数计算飞机的总阻力时只要乘上机翼面积和即可。

如何求解飞机的总废阻力系数，将在下一期中讲解！