圖 " "% &’ "()圖
"*所示。可壓縮流的流線彎曲程度比不可壓時大,從產生擾動影響這個觀點來看,這好比是在不可壓縮流動中出現了一個厚度(當 &’ +,時)或彎度(當 &’ -,時)較大的翼型。由理論計算可知:
&’可 + &’不( " ")
" ()*
.
因此,這就是在考慮了空氣的壓縮性后,速度又在 (/臨之前的升力系數不斷上升的原因。
(*)跨音速階段:在跨音速階段,隨著 ()數增大,升力系數先增大,隨后減小,接著又增大。其所以如此變化,根本原因在于機翼上、下表面出現了局部超音速區和局部激波。另外,機翼上、下表面局部超音速氣流出現的先后和擴張的快慢不一樣,所以上、下表面壓力降低參差不齊,這就造成了跨音速階段升力系數的劇烈變化。
在 (). -()臨以后,由于上翼面出現了超音速區,致使吸力增大,雖然局部超音速區激波后的壓力提高一些,但由于波前吸力的增加大于波后吸力的損失,所以 &’隨 ()數的增加而增加,直到 &點,即圖 " "中的 0&段。
"在 ()-()1以后,上翼面的局部激波強度變強,波后吸力損失加大。與此同
.
時,下翼面也出現超音速區,并擴張得比上翼面迅速,產生向下的附加吸力。這樣機翼上下翼面的壓力差減小,導致升力系數下降,即圖 " "中的 &2段。 當 ()-()2,以后,下翼面局部激波移至后緣,而上翼面局部激波則繼續緩慢
.
后移,超音速區繼續擴大,因而上翼面吸力繼續加大,于是上下翼面的壓力差不斷提高,升力系數重新增大,如圖 " "中的 23段。另外,在跨音速飛行階段的壓力中心忽前忽后的變化,使飛機的平衡、穩定和操縱很容易出問題,稍微不慎,就會失事。()超音速階段:所謂超音速階段,是指 () -()上臨以后的 ()數范圍,整個翼型附近全部為超音速氣流。在這一速度下采用的翼型大部分為對稱薄翼型,而且使用
•4•
迎角很小,所以在計算時可以把它看作是一個子板,然后再對它進行厚度修正。為了說明超音速翼型的空氣動力,下面以平板為例進行討論。
圖 " "%超音速流線譜及壓力分布
超音速氣流流過平板時的流線譜與壓力分布如圖 " "所示,當超音速氣流以迎角 "流過薄平板時,氣流在前緣分為上、下兩支。在上表面,氣流向外轉折,氣流膨脹加速,經膨脹后,則以不變的速度沿平板表面流去;在下表面,氣流向內轉折,產生斜激波,氣流通過斜激波后,則保持較小的速度,沿平板表面流去。在平板后緣,情況正好相反,上表面產生斜激波使氣流減速,下表面則使氣流膨脹增速。之后,上下表面氣流匯合并沿原來的方向流去。
上表面的流速大于末受擾動的氣流速度,故其壓力減小;而下表面的流速小于未受擾動的氣流速度,故其壓力增大。由于在乎板上各點的流速值均保持不變,故表面上的壓力值沿平板也不變化。由此可見,平板上的總氣動力只作用于平板弦線的中點上。其方向基本上與平板垂直。平板的壓力中心在弦線的中央,即
&壓 ’ () *+
&壓 ’()*("")} 平板上空氣動力的簡單計算高速飛行時, ,很小,可以把超音速氣流流過平板情況當作小角轉折來處理,即上表面的氣流是小角向外轉折,而下表面的氣流是小角向內轉折。理論上可推得
-’
0,/" 12"( " "3)
.
根據這個關系式,在 0, 40,上臨后,隨著 0,數的增加, -.值下降(見圖 " "
5)。
1)阻力系數特性
飛行 0,數超過 0,臨以后,機翼的阻力急劇增大。這是因為在機翼上、下表面出現了局部超音速區和局部激波,而在飛行速度超過音速以后,機翼前緣又產生了頭
•3•
部激波。機翼這種由于出現激波而額外產生的阻力,叫做波阻。與波阻對應的阻力系數叫做波阻系數。
圖 " "%激波對翼型壓力差的影響
()波阻:現通過氣流以超過臨界 & ’(數的速度流過一個迎角為零的對稱翼型的情況來說明波阻的產生。此時翼型上的壓力分布如圖 " "所示。上翼面上表示了翼型附近局部超音速區以及激波,下翼面上表示了壓力分布。在前駐點處壓力最大,然后隨著流速增大,壓力降低。在 )處速度達到音速值,激波在 *處出現,該處壓力突增,速度突降至亞音速。壓力分布如圖中 +,*-.折線所示。如果是理想情況,則沒有激波,即沒有動能損失,進行連續減速,壓力分布如圖中 +,-/./曲線所示。從圖可見激波出現,翼型后半部的壓力比無激波時低,因而產生了附加的壓差阻力。
上面說的是波阻的一部分,如果局部激波與附面層之間的干擾引起了附面層分離,又會使氣流的能量受到損失,它也使得機翼前后壓力差增大形成附加阻力。通常所謂波阻是指激波本身和激波分離而引起的壓差阻力之和。
超音速氣流流過機翼表面時,附面層氣流按其速度大小可分為兩層,最貼近機翼表面的亞音速底層和稍靠外的超音速外層。在這兩層分界線上,空氣以音速流動。因為在亞音速氣流中不會有激波存在,所以局部激波只能達到附面層的超音速外層。當激波前后壓力差很大時,激波后的壓力增高使得附面層底層的氣流倒流,形成在激波處的氣流分離。這就是激波與附面層之間干擾而引起的附面層分離。順便指出,這一分離現象不僅使得阻力系數急劇增加,而且還使得升力系數 01下降。這種現象稱為激波失速。
可見在 23 423臨以后,機翼的阻力除了型阻(摩擦阻力與壓差阻力的統稱)以外,還要加上波阻,即 565型 75波( " "8)對應的阻力系數為 09 609型 7 09波( ":)
其中 % 09波 6 5波; <;
=>
;
•8•
波 —
—波阻;
"波———波阻系數。
()阻力系數隨飛行 %&數的變化:根據上述討論,若將機翼固定在 & ’(迎角下,隨飛行 %&數增加,它的阻力系數 "的大致變化趨勢如圖 ) *+ *,所示。現分段說明如下。
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