第1章 升力
飞行器在飞行过程中为平衡自身重力所需的力称为升力。为了解释机翼产生升力的方式，有人曾在多年以前提出过一个看似有说服力的理论，尽管现在看来该理论并不正确，但是它却广为人知。可以说，世界上大多数驾驶操纵飞行器的人们都被对飞行器的飞行原理持有错误理解。尽管确实能找到正确的理论，但它们大多被藏在晦涩的数学公式中。本书的目的正是通过简单的物理形式来精确描述正确的飞行原理，在此过程中，我们将会揭开一些根深蒂固的科学谎言。
1.1 升力
为了维持飞行器在空气中平稳地飞行，需要产生一个方向向上的升力用来平衡重力，如图1.1所示。然而，飞行器在实际飞行中并不会始终保持稳定的平飞状态，例如俯冲过程，这便需要产生一个大小不等于重力且方向不垂直向上的力。因此，如图1.2所示，我们将升力更广义地定义为一个方向与飞行方向夹角为直角的力。只有在平飞过程中，升力的大小才等于重力大小，方向垂直向上。从图1.2中还应注意到，飞行器并非一直朝向自身的飞行方向。
图1.1 平飞过程中飞机受力示意图
升力抵消重力，推力抵消阻力
图1.2 气动力方向
升力与飞机相对空气的飞行速度方向成直角，也垂直于机翼轴线方向，因此不一定一直垂直于地面向上。图中展示出飞机轴线方向并不与飞行方向完全一致
1.2 传统机翼
产生升力的方法有很多种，我们将首先介绍传统机翼产生升力的方式。
传统飞机的每一个部件都各自承担一种主要功能。这些部件的名称与功能如图1.3所示。在该经典构型中，机翼产生绝大部分升力，尾翼用来控制飞机和保持飞行稳定，一般也会产生较小的负升力或下压力。
图1.3 经典飞机实例
每个部件仅有一个主要功能
航空领域的早期探索都是在借鉴鸟类飞行原理，即通过机翼摆动同时产生升力和推力。然而，当前经典的飞机布局（通常认为起源于英国工程师乔治 凯利，George Cayley）更适合现有的技术。但是一些非常规的构型仍然具有理论优势，且随着技术的进步，这些构型将会变得更加普遍。在一些近期诞生的飞行器类型中，尾翼，甚至机身，都会提供很大一部分升力，这些构型将在后续的章节中进行介绍。
1.3 运动的飞行器与运动的空气
在介绍升力的产生方式之前，需要首先明确一个事实，即如果空气以一定的速度流向一个静止的飞行器，例如在风洞中进行飞行器吹风试验，飞行器受到的气动力与飞行器以相同速度飞过静止的空气时受到的气动力相同。换句话说，实际对气动力产生影响的是空气与飞行器之间的相对速度。该事实有助于飞行力学的发展，因为空气以一定速度流过固定物体时发生的相互作用比运动中的物体经过静止空气时发生的作用更加容易理解和描述。
1.4 升力的产生
对于所有飞行器机翼而言，不管是传统构型还是非传统构型，升力都是通过在机翼下方产生高于机翼上方的压力而形成的。为了得到这个压力差，必须设计一个与相对空气速度构成一定夹角的倾斜面（如图1.4所示），或者设计一个弯曲的翼面（如图1.5所示）。实际设计过程中一般会将倾斜和弯曲两者结合。图1.4和图1.5中所展示的横截面都已经在实际的飞行器上成功应用。飞行器采用何种类型的机翼形状取决于它的飞行包线以及其他功能需求。
图1.4 倾斜表面
平板或对称截面在与来流方向存在夹角时产生升力
图1.5 弯曲翼型
（d）显示的截面代表飞机翻转情况下的机翼剖面
那么这几类构型在空气中运动时是如何产生压力差的呢？早期的实验发现，无论是采用倾斜面还是弯曲面，机翼上方的气流平均速度都比下方的气流平均速度大。而后面我们将推导出，空气速度的增加会与压力的降低相关，那么机翼上方较快的气流速度自然与较小的压力直接相关。因此，以往解释升力产生依靠的理论是： 机翼上下方的气流速度差产生压力差。然而这样的解释难以令人信服，因为这会牵扯出一个“鸡生蛋还是蛋生鸡”的问题，即我们无法确定是速度差导致了压力差还是压力差导致了速度差，而且从物理上也很难简单地描述速度差产生的原因。
图1.5（a）中展示的弯曲机翼截面与这个普遍且具有误导性的解释直接相关，即机翼上方的气流由于要比下方绕行更远的距离而必须提速以与下方气流保持同步。
且不说翼面上下方的气流为什么需要保持同步，该解释本身就不能令人满意，例如上下表面长度一致的倾斜平板或者对称截面机翼也能够产生与弯曲截面机翼相同的升力。另外，图1.5（a）中展示的弯曲机翼截面即便在上下翻转的情况仍然能够产生升力，所有看过航展的人都应该知道很多飞行器都是可以在机身翻转的情况下保持飞行的。事实上，对于为什么会有一些飞行器不能在翻转的情况下飞行并没有一个合理的气动解释。这类飞行器不能进行此类操作，实际上大多是基于结构方面的考虑。
几乎所有形状在弯曲或倾斜于来流方向的情况下都能够产生升力。通过倾斜并加速到一定速度，即便是砖头也能飞起来。然而砖头并不能作为机翼的基准构型，这主要是由于它在产生升力的同时会产生很大的阻力。
如果研究图1.4和图1.5中所有构型的环绕流场，你会发现上表面处的气流速度一直比较大。除此之外，通过上表面的气流确实也需要流过更长的距离。图1.6（a）和图1.13显示了与此相关的奇怪流场现象，可以看到气流在机翼头部（或前缘）下方某点处分成两股，该现象并非如一些人所预测的正好发生在前缘。空气不会沿着*短的路径流动，而是更倾向于沿着顶部弯曲流动，甚至逆着主流方向向前流动一小段距离。
图1.6 实际黏性流与理论无黏流的流线图案
在（b）中展示的理论无黏流图案看起来与翻转后的图案一样，上下表面总有相对应的区域承受高压和低压，因此，不能预测升力和阻力
显然，产生升力不一定需要使用图1.5（a）所示类型的常规翼型截面，因此使用了这类构型的任何解释都不再具有说服力。
我们发现，升力的产生出乎意料地取决于空气的黏度或黏性。早期的理论忽略了黏度，并预测了简单倾斜表面周围的流动形式类似于图1.6（b）。在此图中可以看到，流线图案具有一种对称性，即便把它们倒过来看仍然能够看到相同的情况。因此，压力分布也会具有相似的对称性，在上表面和下表面上必然有恰好对应的低压和高压区域，所以早期理论认为这将不会产生升力。
实际上真实的流场结构更像是图1.6（a）中展示的那样。*大的区别是此图中通过上下表面的两股流动在翼尾处再次汇合，且不会发生方向突变，流场中不存在对称性。上下表面的平均压力不同，因此产生升力。
这种流动在尾部发生汇合的流场现象被称为库塔（Kutta）条件。在第3章我们将介绍空气的黏性是如何导致这种不对称流动并*终产生升力的。
1.5 翼型
翼型（airfoil或aerofoil）是机翼的截面形状。尽管扁平型或是弯曲型薄板构成的机翼能够产生充足的升力，但它们的强度和刚度较低，难以对抗弯折。早期使用薄截面板状机翼的飞行器采用复杂的支撑结构（如外部金属丝和支板）来支撑机翼以使其保持足够的强度，如图1.7所示。后来为了减小阻力，去掉了外部的线结构，机翼依靠内部梁结构或者盒型结构来支撑，这样便要求机翼更厚。随后还发现类似于图1.5（a）中所示的厚“翼型截面”形状具有许多空气动力学优势，这将在后面进行描述。
机翼相对于气流的倾斜角度被称为攻角（angle of attack）。在英式英语中常用入射角（incidence）一词代替攻角使用，但是在美式英语中使用时（以及在较早的英式英语中），incidence也可指代安装角，即机翼相对于机身主体的安装角度。术语“攻角”的意思更加明确，因此我们将用攻角表示机翼与气流的倾斜角。中弧线（mean line）是在前缘和后缘之间绘制的假想线，连接上表面和下表面所有对应点的中点，如图1.8所示。这条线与连接前缘和后缘的直线（称为弦线）之间的*大偏差即是弯度（camber），但翼型的弯度通常改写为此*大偏差相对机翼弦长的百分比。图1.5显示了弯曲翼型截面的示例。当机翼较厚且仅使用较小的弯度时，上、下表面都可能是凸面，如图1.8所示。
图1.7 （a）弯曲平板机翼
薄弯曲平板翼型在1910年已有应用（本图摄于Old Warden，沙特尔沃思收藏馆）
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