《ATPL地面培训教材13：飞行原理》——第1章：概述与定义

翻译：刘远贺；辅助工具：Cluade 3.7

第1章：概述与定义

目录

• 概述
• 一般定义
• 术语表
• 符号列表
• 希腊符号
• 其他
• 自我评估问题
• 答案

概述

飞机的基本要求如下：

• 机翼产生升力；

• 机身容纳载荷；

• 尾部表面增加稳定性；

• 控制面改变飞行方向；以及

• 发动机提供前进动力。

升力产生的过程相当简单易懂。多年来，飞机设计师、空气动力学家和结构工程师通过对基本原理的改进，通过对形状和构型的微妙变化，充分利用对空气物理特性的理解，设计出最适合特定任务的飞机。

飞机有各种不同的形状和尺寸，每种通常都是为特定任务而设计的。所有飞机都有一些共同特征，但为了满足操作者的性能要求，设计师会以特定方式配置每种类型的飞机。

图1.1

从上面的插图可以看出，所有类型飞机共有的特征（即机翼、机身、尾部表面和发动机）的位置因机型而异。

• 为什么机翼平面形状不同？

• 为什么机翼有时安装在机身顶部而不是底部？

• 为什么机翼安装在那个位置和那个角度？

• 为什么水平安定面有时安装在垂直尾翼顶部而不是机身后部两侧？

每个特征都有其目的，从不仅仅为了风格而设计。

飞机和所有物体一样，具有质量。当飞机静止在地面上时，只有重力加速度产生的力作用于它。这个力，即它的重量，始终垂直向下作用。

图1.2 重力

在飞机离地飞行前，重力必须被一个向上作用的力平衡。这个力称为升力。升力必须增加到与飞机重量相等。

图1.3 重力与升力

为了产生升力，飞机必须通过发动机提供的推力在空气中向前推进。

图1.4 重力、升力和推力

从飞机开始移动的那一刻起，空气就会以一种称为阻力的力抵抗其前进运动。

图1.5 重力、升力、推力和阻力

当飞机运动时，有四个主要力作用于它：

重力、升力、推力和阻力。

这些力都密切相关，即：

• 重量越大 - 升力需求越大。

• 升力越大 - 阻力越大。

• 阻力越大 - 所需推力越大，依此类推…

空气的特性随高度而变化。了解这些变量及其对飞机的影响是充分理解飞行原理的先决条件。

飞机的结构和空气动力学设计是妥协的杰作。一个领域的改进往往会导致另一个领域效率的损失。

飞机不像汽车抓住道路那样"抓住"空气。飞机通常不是指向其移动的相同方向。

一般定义

质量

单位 - 千克(kg) - “物体中物质的数量”。物体的质量是衡量其启动或停止难度的指标。（在这种情况下，"物体"指的是物质。任何物质：气体、液体或固体。）

• 质量越大，在相同距离内启动或停止所需的力越大。

• 质量对改变物体方向所需的时间和/或距离有很大影响。

力

单位 - 牛顿(N) - “推或拉”。导致或倾向于导致物体运动变化的因素。

飞行中的飞机受到四种力的作用 - 在不同方向上推或拉。

重量

单位 - 牛顿(N) - “由重力引起的力”。$(F=m\times g)$

其中$m$是物体的质量，$g$是重力加速度常数，其值为$9.81{\text{ m/s}}^2$。（一个$1\text{ kg}$的质量"重"9.81牛顿）

    如果一架B737的质量为$60000kg$

    且$F=m\times g$

    则需要产生：$60000\text{ kg}\times 9.81{\text{ m/s}}^2$

    $588600N$的升力。

重心(CG)

飞机重量作用的点。

• 飞行中的飞机围绕其重心旋转。

• 出于稳定性和控制的原因，飞机的重心必须保持在特定的前后限制范围内。

功

单位 - 焦耳(J) - 当力使物体沿力作用的方向移动时，该力被称为对物体做功。对物体所做的功是施加于物体的力与该力在其作用方向上移动的距离的乘积。如果施加了力但没有发生移动，则没有做功。

• $功=力\times 距离$（力施加的距离）

• 如果10牛顿的力使物体沿其作用线移动2米，它做了20牛顿米$(Nm)$的功。$[10Nx2m=20Nm]$

• 牛顿米，功的单位，称为焦耳(J)。

功率

单位-瓦特(W) - 功率简单来说就是做功的速率（做功所需的时间）。

• $\text{功率}(\mathrm{W})=\frac{\text{力}(\mathrm{N})x\text{距离}(\mathrm{m})}{\text{时间}(\mathrm{s})}$

• 如果10牛顿的力在5秒内使质量移动2米，那么功率是每秒4焦耳。每秒焦耳$(J/s)$称为瓦特(W)，功率的单位。所以这个例子中使用的功率是4瓦特。

能量

单位 - 焦耳(J) - 如果质量有做功的能力，则它具有能量。物体所拥有的能量通过它能做的功的量来衡量。因此，能量的单位与功的单位相同，即焦耳。

动能

单位 - 焦耳(J) - “质量因其运动而拥有的能量”。“运动中的质量在停止时可以做功”。

$\mathrm{KE}=1/{2mV}^2$ 焦耳

以52米/秒（100节）移动的1千克空气质量的动能是1352焦耳；它拥有1352焦耳的动能。$[.5xx5x5=35J]$

从上面的例子可以看出，速度加倍对动能的影响比质量加倍更大（速度是平方的）。

牛顿第一运动定律

“物体将保持静止或沿直线匀速运动，除非受到外力作用”。

要移动静止物体或使运动物体改变方向，必须施加力。

惯性

“物体对运动变化的阻力”。惯性是所有物体的一种性质，它是一种品质，但是以质量（一种量）来衡量。

·质量越大，相同结果所需的力越大。

·大质量具有很大的惯性。

·惯性既指静止质量也指运动质量。

牛顿第二运动定律

“物体从静止状态或沿直线匀速运动状态的加速度与施加的力成正比，与质量成反比”。

速度

单位 - 米每秒$(m/s)$ - “位移变化率”

加速度

单位 - 米每秒每秒$\left(\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2\right)$ - “速度变化率”。

1牛顿的力作用于1千克的质量将产生$1\sim \mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2$的加速度

$\text{加速度}=\frac{\text{力}}{\text{质量}}$

• 对于相同质量；力越大，加速度越大。

• 对于相同力；质量越大，加速度越慢。

动量

单位 - 质量$x$速度$(kg-m/s)$ - “物体拥有的运动量”。物体被置于运动状态后继续运动的趋势。

• 质量为$10kg$以$2m/s$速度移动的物体具有$20kg-m/s$的动量。

• 在相同速度下，大质量比小质量具有更多的动量。

牛顿第三定律

“作用力与反作用力大小相等，方向相反”

• 如果一个力使质量向一个方向加速，提供力的物体将受到相同大小、相反方向的力。

术语表

翼型 - 一种形状设计用于在空气中运动时产生垂直于其运动方向的空气动力反应，且不产生过大阻力的物体。

后部 - 飞机的后部、背部或尾部。

空气制动装置 - 任何主要用于随意增加飞机阻力的装置。

环境的 - 周围的或与直接环境有关的。

振幅 - 大小；丰富度；宽度；范围；重复运动的程度（从一个极端到另一个极端）。

姿态 - 飞机相对于地平线的抬头或低头方向。

边界层 - 紧贴表面的薄空气层，其中粘性力占主导地位。

抖振 - 由涡流直接产生并维持的飞机任何部分的不规则振荡。

悬臂式（机翼） - 一种机翼，其与机身的唯一连接是通过机翼根部的配件：它没有外部支柱或支撑。这些连接处经过整流以保持流线型形状。

控制锁（阵风锁） - 一种机械装置，设计用于在飞机停放时通过正锁保护控制面和飞行控制系统免受强风或阵风损坏。

控制反转 - 高速时：控制面的位移由于过度结构变形而产生与所需方向相反的力矩。低速时：副翼的位移增加一个机翼的攻角达到或超过临界角度，导致与所需方向相反的滚转。

收敛的 - 趋向于或在一点或一个值处相遇。

临界马赫数$\left({\mathrm{M}}_{\mathrm{CRIT}}\right)$ - 物体表面上的峰值速度首次等于当地声速的自由流马赫数。

阻尼 - 减慢速率；减小振动或周期的振幅。

几何上反角 - 飞机的水平基准与机翼或水平安定面半跨面之间的角度。

发散的 - 倾斜或分开。发散 - 随时间持续增加的扰动。

涡流 - 具有强烈涡度的空气元素。

有效攻角$\left({\alpha }_e\right)$ - 弦线与非均匀扰动气流平均方向之间的角度。

平衡 - 当作用于物体的所有力矩之和为零且作用于物体的所有力之和为零时存在的状态。

整流罩 - 添加到任何部件上以减少其阻力的次级结构。

感觉 - 飞行员从控制面上的空气动力学力中感受到的力和位移感。

栅栏 - 从机翼表面伸出并沿弦向延伸以修改机翼表面压力分布的突起物。

填角 - 两个表面连接处的整流罩，用于改善气流。

飞行路径 - 飞机重心(CG)的路径。

流体 - 气体或液体物质，会适应容纳它的容器的形状。

自由流速度 - 相对于飞机的未受干扰空气的速度。

梯度（压力） - 压力随距离变化的速率。

阵风 - 空气速度或方向随时间或距离的快速变化。

阵风锁 - 见控制锁。

不稳定性 - 稳定运动的任何扰动趋于增加的特性。

层流 - 相邻层之间没有混合的流动。

载荷系数 - 飞机重量与升力施加的载荷之比。载荷系数的正确符号是(n)，但通常被称为(g)。

$\text{载荷系数}=\frac{\text{升力}}{\text{重量}}$

马赫数(M) - 真空速与当前大气条件下声速的比值。

$M=\frac{TAS}{\text{当地声速(a)}}$

大小 - 巨大；尺寸；重要性。

力矩(N-m) - 力对一点的力矩是力与其作用距离的乘积。力矩中的距离仅仅是杠杆作用，不涉及移动，所以力矩不能用焦耳测量。

发动机舱 - 机翼上用于安装发动机（通常）的流线型结构。

垂直的 - 垂直的；成$90^{\circ }$角。

振荡 - 像钟摆一样来回摆动；振动；在特定限制内的变化；波动。

平行的 - 朝相同方向运行且永不相交或交叉的线。

皮托管 - 一种管子，开口端朝上游，在速度小于声速约四成时，其中的压力等于总压力。在这个阶段，出于实际目的，总压力可视为等于皮托压力。

吊舱 - 从机身或机翼外部支撑的发动机舱。

传播 - 传递；传输；从一个传播到另一个。

相对气流，（相对风），（自由流） - 飞机穿过空气产生的气流方向。相对气流的方向与飞行方向平行且相反。因此，飞机的实际飞行路径决定了相对气流的方向。此外，指在压力、温度和相对速度不受飞机通过影响的区域中的空气。

比例 - 如果考虑1/10比例模型，所有线性尺寸是真实飞机的1/10，但面积是1/100；如果模型由相同材料构成，质量是真实飞机的1/1000。因此，模型在某些方面是按比例的，但在其他方面则不是。

示意图 - 图解轮廓或概要；事物的图像；通过图表表示某物。

分离 - 气流从其接触的表面分离。

激波 - 一个穿过流线的狭窄区域，在该区域中压力、密度和温度突然增加，速度突然减小。相对于激波的速度法向分量在上游是超音速的，在下游是亚音速的。

侧滑 - 飞机相对于相对气流的运动，具有沿横向轴的速度分量。

缝翼 - 位于主翼型前方的辅助弯曲翼型，形成一个缝隙。

梁 - 机翼、尾翼、垂直尾翼或控制面的主要跨向结构构件。

速度 - 米每秒(m/s)在大多数公式中使用，但航海里每小时或节(kt)通常用于测量飞机速度。1海里等于6080英尺，1米等于3.28英尺。

声速(a) - 声音是从源头向大气中球形传播的压力波。传播速度仅随空气温度而变化。温度越低，传播速度越低。在"标准"日海平面，声速约为340 m/s（660节TAS）。

稳定性 - 稳定运动的任何扰动趋于减小的特性。

停滞点 - 流线被物体分开且流体速度相对于表面为零的点。

静压孔 - 固定在机身上形成其一部分的板上的小孔，适当位置用于测量环境静压。

喉部 - 管道中最小面积的部分。

真空速(TAS)或(V) - 飞机穿过空气的速度。

湍流 - 流动中不规则的时间波动叠加在平均流动上。

速度 - 与速率相同，但还指定了方向。

粘度 - 流体粒子对相互流动的阻力。所有流体都具有粘度特性。高粘度的流体流动不会很容易。与糖浆等相比，空气的粘度较低，但空气确实具有的粘度在研究空气动力学时是一个非常重要的考虑因素。

涡旋 - 循环运动的流体区域，具有强涡度的核心，涡旋的强度由其环流给出。

涡流发生器 - 一种装置，通常是附着在表面上的小翼片，用于产生一个或多个离散涡旋，这些涡旋沿表面下游拖尾，促进边界层混合并延迟边界层分离。（增加边界层的动能）。

涡度 - 通常指流体中的旋转运动，在流体的任何点定义为围绕该点的流体小元素平均角速度的两倍。

尾流 - 飞机后方的空气区域，其中总压力因飞机的存在而改变。

减扭 - 机翼或其他翼型向翼尖方向的入射角减小。

机翼负荷 - 飞机重量与机翼面积的比值。

机翼负荷 $=\frac{\text{飞机重量}}{\text{机翼面积}}$

俯冲爬升 - 利用动能获得高度。

符号列表

以下符号在这些笔记中使用。然而，没有通用的定义标准。其他关于这个主题的书籍可能使用这些符号但有不同的定义。我们尽力使用广泛接受的符号，并符合学习目标。

符号	含义
a	声速
AC	空气动力中心
AR	展弦比
b	翼展
C	摄氏度
C	弦长
$C_D$	阻力系数
CG	重心
CP	压力中心
CL	升力系数
$C_M$	俯仰力矩系数
D	阻力
$D_i$	诱导阻力
F	力
g	重力加速度，也用于载荷系数
K	开尔文
L	升力
L/D	升阻比
M	马赫数
m	质量
n	载荷系数
p	压力
Q or q	动压
S	面积；机翼面积
T	温度
$t/c$	厚弦比
$V$	自由流速度(TAS)
$V_s$	失速速度
W	重量

希腊符号

符号	含义
$\alpha$ (阿尔法)	攻角
$\beta$ (贝塔)	侧滑角
$\gamma$ (伽马)	爬升或下降角
$\Delta$ (德尔塔)	增量
$\mu$ (缪)	马赫角
$\rho$ (罗)	密度
$\sigma$ (西格玛)	相对密度
$\varphi$ (菲)	坡度角

其他

符号	含义
∝	正比于
≈	约等于

注意：希腊符号y(伽马)在这些笔记中用于表示爬升和下降角。学习目标使用θ(西塔)。有证据表明考试中的一个问题使用γ(伽马)表示爬升和下降角。笔记已修改为使用y，但考虑使用y或θ来表示爬升和下降角。

自我评估问题

飞机(1)

质量：2000千克(kg)

发动机推力：4000牛顿(N)

$V_1$速度：65节(kt)

达到$V_1$的起飞滑跑：750米(m)

达到$V_1$所需时间：30秒(s)

飞机(2)

质量：2000千克(kg)

发动机推力：8000牛顿(N)

$V_1$速度：130节(kt)

达到$V_1$的起飞滑跑：1500米(m)

达到$V_1$所需时间：40秒(s)

其中1海里$=6080$英尺，1米$=3.28$英尺

在${\mathrm{V}}_1$时，两架飞机都遇到发动机故障，起飞中止。

a. 飞机(1)达到$V_1$时做了多少功？

b. 飞机(1)达到$V_1$使用了多少功率？

c. 飞机(2)达到$V_1$时做了多少功？

d. 飞机(2)达到$V_1$使用了多少功率？

e. 飞机(1)在$V_1$时拥有多少动量？

f. 飞机(2)在$V_1$时拥有多少动量？

g. 飞机(2)的动量是飞机(1)的多少倍？

h. 飞机(1)在$V_1$时拥有多少动能？

i. 飞机(2)在$V_1$时拥有多少动能？

j. 飞机(2)的动能是飞机(1)的多少倍？

k. 说明两架飞机的质量和速度关系，并与它们的动量和动能进行比较。

l. 质量和速度哪个对动能的影响更大？

m. 必须如何处理动能才能使飞机停止？

1. 飞机的质量是由以下因素决定的：

   a. 它的重量。

   b. 它有多大。

   c. 它包含多少物质。

   d. 它的体积。

2. 质量的单位是：

   a. 焦耳。

   b. 瓦特。

   c. 牛顿。

   d. 千克。

3. 力的定义是：

   a. 导致反应发生的因素。

   b. 仅指推力和阻力。

   c. 推或拉。

   d. 应用输入的结果。

4. 力的单位是：

   a. 质量-千克。

   b. 牛顿-米。

   c. 焦耳。

   d. 牛顿。

5. 重量的单位是：

   a. 千克。

   b. 牛顿。

   c. 瓦特。

   d. 千瓦。

6. 重量是由以下因素产生的：

   a. 重力对质量的作用力。

   b. 下落质量的作用。

   c. 物体包含多少物质。

   d. 单位面积的质量率。

7. 飞机围绕哪一点旋转？

   a. 机翼。

   b. 主起落架。

   c. 重心。

   d. 方向舵。

8. 如果对质量施加力而质量不移动：

   a. 即使质量没有移动，也做了功。

   b. 只有当质量移动很远时才做功。

   c. 施加了功率，但没有做功。

   d. 没有做功。

9. 功的单位称为：

   a. 帕斯卡。

   b. 焦耳。

   c. 瓦特。

   d. 千克。

10. 功率的单位称为：

    a. 焦耳。

    b. 牛顿-米。

    c. 瓦特。

    d. 米每秒。

11. 如果20牛顿的力使质量移动5米：

    1 - 做功为100牛顿米

    2 - 做功为100焦耳

    3 - 做功为4焦耳

    4 - 做功为0.25焦耳

    正确的陈述是：

    a. 仅1。

    b. 1和3。

    c. 1和2。

    d. 仅2。

12. 如果50牛顿的力作用于10千克的质量并使其移动10米，同时50牛顿的力作用于100千克的质量并使其移动10米：

    a. 两种情况下做的功相同。

    b. 对10千克质量做的功较少。

    c. 对10千克质量做的功较多。

    d. 对100千克质量做的功较多。

13. 功率的定义是：

    a. 施加力的速率。

    b. 每秒移动的速率。

    c. 做功的速率。

    d. 施加力的速率。

14. 如果500牛顿的力在2分钟内使质量移动1000米，使用的功率是：

    a. 4167瓦特。

    b. 250千瓦。

    c. 1兆瓦。

    d. 4瓦特。

15. 动能是：

    a. 质量由于其在空间中的位置而具有的能量。

    b. 当力被施加时质量所具有的能量。

    c. 质量由于重力作用而具有的能量。

    d. 质量由于其运动而具有的能量。

16. 动能的单位是：

    a. 焦耳。

    b. 米每秒。

    c. 瓦特。

    d. 牛顿-米每秒。

17. 考虑动能时：

    1 - 运动中的质量可以通过被停止而施加力。

    2 - 动能是物体因其运动而具有的能量。

    3 - 如果物体的动能增加，必定有力被施加。

    4 - 动能 $=1/2$ m ${\mathbf{V}}^2$ 焦耳。

    正确陈述的组合是：

    a. 1和2。

    b. 1、2、3和4。

    c. 仅4。

    d. 2和4。

18. 惯性的特性被认为是：

    a. 物体因其运动而具有的能量。

    b. 物体对运动变化所表现的阻力。

    c. 每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。

    d. 物体所具有的运动量。

19. 关于牛顿第一运动定律：

    1 - 如果物体有做功的能力，则称其具有能量。

    2 - 物体所具有的能量大小由其能做的功的量来衡量。

    3 - 物体将保持静止状态或沿直线匀速运动，除非受到外力作用。

    4 - 要移动静止物体或使运动物体改变方向，必须施加力。

    包含正确陈述的组合是：

    a. 3和4。

    b. 仅3。

    c. 1和2。

    d. 1、2、3和4。

20. 关于牛顿第二运动定律：

    1 - 每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。

    2 - 如果施加相同的力，质量越大，加速度越小。

    3 - 如果对同一质量施加两种力，力越大，加速度越大。

    4 - 物体从静止状态或沿直线匀速运动状态的加速度与施加的力成正比，与质量成反比。

    正确陈述的组合是：

    a. 仅1。

    b. 1、2、3和4。

    c. 2、3和4。

    d. 3和4。

21. 牛顿第三运动定律指出：

    a. 质量所具有的能量与其速度成反比。

    b. 每个力都有一个大小相等、方向相反的惯性。

    c. 对于每个力都有一个作用。

    d. 每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。

22. 速度的定义是：

    a. 加速度变化的速率。

    b. 位移变化的速率。

    c. 物体所具有的运动量。

    d. 物体的加速度与其质量成正比。

23. 关于加速度：

    1 - 加速度是速度变化的速率。

    2 - 加速度的单位是米每秒。

    3 - 加速度的单位是千克-米每秒。

    4 - 加速度的单位是秒每米每米。

    正确陈述的组合是：

    a. 仅4。

    b. 1和4。

    c. 仅1。

    d. 1和2。

24. 动量的定义是：

    a. 物体所具有的质量量。

    b. 物体所具有的惯性量。

    c. 物体所具有的运动量。

    d. 物体对速度变化所表现的阻力。

25. 24牛顿的力在1分钟内使10千克的质量移动60米。使用的功率是：

    1 - 24瓦特。

    2 - 240瓦特。

    3 - 力乘以每秒移动的距离。

    4 - 力乘以质量每秒移动的距离。

    以上哪些陈述是正确的：

    a. 1和3。

    b. 1、3和4。

    c. 2和4。

    d. 仅4。

26. 关于动量：

    1 - 动量是物体所具有的运动量。

    2 - 动量是物体被置于运动状态后继续运动的趋势。

    3 - 质量为2000千克、速度为55米/秒的物体具有110000千克-米/秒的动量。

    4 - 以50米/秒移动的大质量物体比以50米/秒移动的小质量物体具有更少的动量。

    正确陈述的组合是：

    a. 1和3。

    b. 1、2、3和4。

    c. 1、2和3。

    d. 2、3和4。

答案

飞机(1) $V_1$速度65节 $=33.5\sim \mathrm{m}/\mathrm{s}$

飞机(2) $V_1$速度130节 $=67\sim \mathrm{m}/\mathrm{s}$ 米/秒

a. 3,000,000焦耳

b. 100,000瓦特

c. 12,000,000焦耳

d. 300,000瓦特

e. 67,000千克-米/秒

f. 134,000千克-米/秒

g. 两倍

h. 1,122,250焦耳

i. 4,489,000焦耳

j. 四倍

k. 相同质量，速度加倍，动量加倍，但动能增加四倍。

l. 速度对动能的影响比质量更大。

m. 必须通过制动系统消散动能。

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
c	d	c	d	b	a	c	d	b	c	c	a	c

14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26
a	d	a	b	b	a	c	d	b	c	c	b	c