航空航天概论
空气动力学部分
参考书： Introduction to the Aerodynamics of Flight, Theodore A.Talay, Langley Research Center. 模型飞机空气动力学，马丁.西蒙斯，航空 工业出版社。
一.飞行器演化简史
达芬奇的设计
热气球和滑翔机
由线性化理论可以得出阻力只是截面面积有关，与形状无关。
面积律的理论依据
上图表示细长翼身组合体和其当量旋成体在升力为零时阻力系数增量△CD(即与跨音速前阻力之差)在跨音速时的实验 曲线。从该图可以看到两者阻力系数的增量几乎是一样的,这就证实了理论的结论。这也正是跨音速面积律的理论依 据。
YF-102 战斗机在用面积律修行之前（左）和之后（右）
不同机型的机身
机翼
不同翼型：
机翼形状
机翼的位置（布局）
机尾和尾翼
Fin 尾翼 Rudder 方向舵 Elevator 升降舵
控制面
Spoiler 气流偏导器，阻流板 Aileron 副翼 Flap 襟翼 Trim tab 配平调整片（翅痣，防止颤振）
副翼和襟翼
副翼：操纵 襟翼：增升
起落架
亚声速流动 翼型和机翼
Leading edge Trailing edge Chord Line Camber Line Upper Surface Low Surface 前缘 后缘 翼弦 中（弧）线，脊线 上翼面 下翼面
几种典型翼型
翼型、攻角和升力
攻角-翼弦 和无穷来流夹角
二维机翼（沿展向机翼截面-翼型相同）
激波的形成
超音速特征
跨声速性能改善
消除阻力危机的措施
1.采用薄翼 2.采用前掠和后掠翼 3.低展弦比机翼 4.消除边界层采用涡流发生器 5.超临界翼型和面积律
薄翼-降低厚度-弦长比（平方）
阻力危机发生的Mach数
小展弦比
后掠翼
后掠翼-降低实际展弦比
前掠翼
后掠翼展向流动和翼尖分离和失速
真实流动 -层流和湍流
Reynolds效应
表面摩擦效应
压力和粘性力
粘性导致总压 （能量）的损失
层流与湍流边界层
真实流动中的机翼
机翼表面静压分布
机翼表面粘性效应
流动分离， 摩阻和压差阻力
升力系数、阻力系数和力矩系数
不同形状 的阻力系数
阻力系数随 Reynolds数变化
Reynolds数 增加，分离 点推迟，总 体阻力系数 呈下降趋势。
俯仰和力矩
方向和螺旋发散
基本操纵面
操纵原理
操纵效率
操纵面的平衡
操纵面的平衡
横向控制
全动控制面
反作用控制（在速度非常低时）
反作用控制（在没有空气时）
V形机尾的控制
增升减少分离装置-前缘缝翼
固定型缝翼
襟翼
复合缝翼襟翼
边界层控制-吹吸气
扰流器
空气刹车片
翼刀
总阻力
总阻力
螺旋桨和旋翼
螺旋桨-推力和扭矩
螺旋桨-扭转角
螺旋桨-变桨矩的作用
螺旋桨布局-共桨
旋翼和直升机
旋翼提供的升力和推力
稳定性，翼尖失速，上反角来自稳定性，翼尖失速，上反角
二维机翼的升力和阻力系数
升力系数和攻角 Stall-失速
阻力系数与攻角 阻力骤增
失速的形成 -流动分离
二维机翼和三维机翼
二维机翼和三维机翼差异
三维机翼的表面真实流动-压力差
三维机翼的表面真实流动-环量和涡系
翼尖涡-简化的涡系
实际涡系 翼尖涡模型
翼尖涡和升力
上洗和下洗
上洗和下洗
翼刀的作用-抑制展向流动
涡流发生器-增加边界层能量抑制流动分离
激波的逆压梯度导致边界层分离，增加边界层动能可以抑制分离。
减少跨音速阻力-超临界翼
超临界翼的优点
减少跨音速阻力—面积律
跨音速面积律
飞行器在跨音速飞行时，前缘和后缘的激波不可避免，但如果飞行器沿前进轴线上 的截面积急剧改变，将产生额外的激波，增加阻力。为了避免这额外的阻力，飞行 器沿前进轴线的截面积应该均匀改变（或者说截面积沿前进轴线的二阶导数或曲率 应该恒定），而截面的形状倒是无关紧要，这就是著名的跨音速面积率，也是超音 速飞机“蜂腰”的来源。
面积律在波音747上的应用
歼-10战斗机的蜂腰设计
采用面积律的强5型强击机
超音速流动-降低波阻
可调节的Mach锥
可调节Mach锥
加装了头部激波锥的歼6战斗机（左）和没有加装头部激波锥的歼6战斗机（右）
歼7战斗机头部进气道可调节的激波锥 （上） 幻影2000战斗机两侧进气道前部的激波锥（下）
气温和音速随高 度的改变
1962年美国标准大气压
风和湍流对飞行的影响
不同高度的风速
湍流影响
对飞行稳定性的影响，空中加油
积雨云，强对流，对飞行安全的影响。在平流层湍流较少，飞行平稳。偶尔也有晴空湍流。
飞机的基本构型
Fuselage 机身 Wing 机翼 Tail assembly 机尾 Control surface 操纵面 Landing gear 起落架 Power plan发动机
上洗和下洗
下洗和诱导阻力
诱导阻力的危害
减少诱导阻力——提高展弦比（Aspect ratio）
大展弦比机翼
减少诱导阻力 –翼稍小翼
翼尖板和翼尖油箱
减少诱导阻力 –平面和厚度细化
减少诱导阻力 –平面和厚度细化
减少诱导阻力 –机翼展向扭转
空气动力学装置-减少诱导阻力（椭圆机翼）
空气动力学装置-减少诱导阻力
先驱：George Cayley
George Cayley, airfoil design, 1804 George Cayley, Glider, 1804
一战、二战到现代
二.背景知识
大气层-飞机飞行的环境
大气层分层
Troposphere 对流层 Tropopause 对流顶层 Stratosphere 平流层，同温层 Stratopause 平流顶层 Mesosphere 中间层 Mesopause 中间顶层 Thermosphere 电离层 Exosphere 外大气层，外逸层
超音速飞行-Mach锥
大三角翼
直翼和后掠翼
可变后掠翼
可变后掠翼II
超音速客机SST-鸭翼和双三角翼
双三角翼-涡升力
涡升力-战斗机边条翼
边条翼
超音速客机
波音超音速客机
新概念设计
音爆
音爆的影响因素
高超声速飞行器-升力体
升力体种类
航天飞机
稳定性和操纵性，力矩
静不稳定
流动-流线的概念
非定常流动：不同时刻的流线不一致
定常与非定常流动，定常流动流线与粒子 轨线一致
有旋和无旋流动
流管和近似一维流动
理想流-质量守恒和连续性方程
流管相当于一个变截面管道
理想流-Bernoulli关系
沿流线
理想流-Bernoulli关系
沿流线
压力的测量
压力测量
机翼表面速度 和压力的变化
什么样的机翼可近似为二维翼型
可以近似为二维翼型
不可以近似为二维翼型
二维翼型的升力理论Kutta-Joukowsky定理
环量的确定:Kutta-Joukowsky条件（理想流）
有环量
无环量
环量的确定:Kutta-Joukowsky条件（理想流）
环量大小由Kutta-Joukowsky条件决定，粘性流体不需要此条件。
稳定性
跨声速流动(Transonic Flow)
音速-扰动传播的速度 温度越高音速越高。 高空温度低，容易超音速。
速度与音速之比，称为马赫数（Mach数，Ma）
Subsonic 亚音速 Transonic 跨音速 Supersonic 超音速 Hypersonic 高超音速
跨音速和超音速的阻力-波阻 音障
发动机布局
飞机受力
Thrust 推力 Drag 阻力 Weight 重力 Lift 升力
飞机对阻力敏感，应当尽量减阻 对升力损失相对不敏感，损失的升力可以通过减阻补偿。
阻还是提高航程和经济型的关键，对民航客机尤为重要。 风筝，旋翼机和动力伞不怕阻力。
滑翔机的飞行
三.流体运动
空气的基本性质：粘性（虽然小但却重要） 可压缩性（在高速时体现)