第1章 基本概念
要学好飞行原理，首先需掌握一些基本概念和术语。对于初学者来说，这些基本概念和术语将会成为学习过程中看不见的障碍。通过学习一些基本的概念和术语，能帮助大家克服这个困难。
1.1 有关飞机的基本概念
有些读者可能比较熟悉有关飞机的一些术语，而有些则未必。无论如何，细读本章的所有内容将有助于对后面章节的理解。对于熟悉飞机大部分部件、了解操纵面的操作，以及飞机基本操作的读者可以跳过这些内容直接进入后面的章节。
1.1.1 飞机的主要组成部分和功用
如图1.1所示为某飞机的主要部件。包括机体、起落装置和动力装置。其中机体是飞机的主要组成部分，包括机身、机翼和尾翼。
图1.1 飞机的主要部件
(1)机身(fuselage)：机身的主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备，还可将飞机的其他部件如尾翼、机翼及发动机等连接成一个整体。
(2)机翼(wing)：大部分现代飞机在机身上装有上单翼或下单翼。大部分(而非全部)上单翼飞机的机翼都有支杆进行支撑。支杆使机翼更轻，不过阻力(在空气中进行运动的阻力)也更大了。机翼的主要功用是产生升力，以支持飞机在空中飞行；也起一定的稳定和操纵作用。
机翼后缘外侧的可移动面是副翼，用于控制飞机进行滚转(围绕机身纵轴进行的旋转)。副翼由驾驶盘或驾驶杆的左右转动进行控制。副翼成对安装，当一边的副翼向上偏转时另一边则向下偏转。操纵面将在下面内容中详细讨论。
机翼后缘内侧的可移动面是襟翼。襟翼用于在低速时产生更大的升力并且在降落时增大阻力。降落时增大的阻力可帮助降低飞机速度，使降落角度更陡。襟翼将在关于机翼的章节中进行详细讨论。
(3)尾翼(empennage)：尾翼由水平尾翼 (horizontal stabilizer)、升降舵(elevator)、垂直尾翼 (vertical stabilizer)和方向舵(rudder)组成。升降舵用于调节或控制飞机的俯仰运动(即飞机的抬头或低头的姿态)。升降舵与驾驶盘或驾驶杆相连，通过向前或向后的运动进行操作。如图1.2所示，有些飞机的整个水平尾翼就是它的升降舵，被称为全动水平尾翼，这种全动水平尾翼一般用于高速飞机，它兼有水平安定面和升降舵两者的作用。方向舵则在飞机转弯时用来使方向稍微发生改变。驾驶舱地板上的两块踏板用来操作方向舵，从而控制飞机的运动方向。
如图1.2所示，大部分飞机在升降舵的后缘装有小块的铰链片，有时在方向舵上也有，这块小铰链片被称为配平片。一般情况下，配平片的移动方向和操纵面相反。配平片作用是调整驾驶盘上所需的操纵力，使飞机能保持理想的飞行姿态。
(4)起落装置(landing gear)：起落装置是用来支持飞机并使它能在地面和水平面起落和停放。陆上飞机的起落装置，大都由减震支柱和机轮等组成。它是用于起飞、着陆滑跑，地面滑行和停放时支撑飞机。
小型飞机有两种类型的起落架。前三点式起落架的主轮在飞机重心之后，而可控前轮位于重心之前。后三点式起落架主轮位于重心之前，可控尾轮位于飞机尾部。可控前轮或尾轮由方向舵踏板进行控制。大型飞机一般都采用前三点式起落架。
(5)动力装置(powerplant)：主要用来产生拉力或推力，使飞机前进。其次还可以为飞机上的用电设备提供电源，为空调设备等用气设备提供气源。
现代飞机的动力装置，应用较广泛的有四种：一是航空活塞式发动机加螺旋桨推进器；二是涡轮喷气发动机；三是涡轮螺旋桨发动机；四是涡轮风扇发动机。随着航空技术的发展，火箭发动机、冲压发动机等，也将会逐渐被采用。动力装置除发动机外，还包括一系列保证发动机正常工作的系统，如燃油供应系统等。
1.1.2 翼型和机翼
翼型(airfoil)是设计出来产生升力的机翼剖面形状。一定要注意不要错误地将机翼和翼型的概念搞混。如图1.3所示，翼型就是机翼的一个切面形状。除了机翼、螺旋桨和尾翼也是翼型形状。但是翼型只是机翼的一个切面形状，而不是机翼本身。对某些机翼来说，沿机翼展向的不同位置翼型形状各异。
图1.2 尾翼
图1.3 翼型和机翼
*早的飞机，机翼是一块平板，翼剖面就是一个平板剖面(图1.4(a))。这种机翼升力很小。后来出现了弓形翼型的机翼(图1.4(b))，其升力特性虽然比平板剖面好，但总的来说还是不理想。再后来出现了平凸形(图1.4(c))、双凸形(图1.4(d))、对称形(图1.4(e))、层流形(图1.4(f))、菱形(图1.4(g))、圆弧形等翼型(图1.4(h))。
图1.4 各种翼型
平凸形和双凸形翼型的升力和阻力特性都较好，而且对结构布置和减轻重量也有利，是现代低速飞机广泛采用的翼型。
对称翼型，前缘比较尖，*大厚度位置靠后，临界马赫数(简称Ma数)较高，阻力小。这种翼型常用于各种飞机的尾翼上和某些高速飞机的机翼上。
所谓“层流翼型”就是指所设计的翼剖面，翼面边界几乎保持层流的摩擦阻力小的翼型。这种翼型特点是前缘比较尖、*大厚度一般在50%～60%弦长位置、后缘角大、*低压力点尽可能位于翼型靠后的部分，常用于速度较高的飞机。
圆弧形和菱形翼型常用在超音速飞机上。这两种翼型前端很尖，而且很薄，超音速飞行时阻力小，很有利。但在低速飞行时，升力和阻力特性不好，使飞机的起落性能变差。
用来表明翼型形状特点的一些数据统称为翼型参数。翼型参数主要有：厚弦比、*大厚度位置和中弧曲度。
如图1.5所示，翼弦和弯度决定了翼型的特征。有关翼弦的定义，可以参见图1.3，从图中可以看到，翼型有前缘和后缘。翼弦是连接前缘和后缘的虚构直线。翼弦用于确定几何迎角和机翼面积(下面讨论)，其长度用 b表示。如图1.5所示，相对风是指离机翼一定距离风的方向。风向与机翼运动的方向相反并平行。相对风向的速率等于机翼运动的速率。在空气动力学中，几何迎角的定义即为翼型几何平均弦的弦线和相对风方向之间的夹角。
图1.5 翼型参数
翼型的*大厚度(C*大)与翼弦的比值叫厚弦比，也称相对厚度。厚弦比一般用百分数表示为
翼型的*大厚度所在的位置到前缘的距离叫*大厚度位置(即图1.6中的XC)，通常以其与翼弦的比值的百分数(XC)来表示，即中弧线是一条与翼型上表面和下表面距离相等的曲线。中弧曲度是翼型中弧线的弯曲程度。一个机翼的翼型如果其中弧线曲率很大的话，则称为高中弧曲度机翼。对称翼型没有中弧曲度。由中弧线到翼弦的垂直距离，叫弧高(图1.7)。*大弧高(f*大)与翼弦的比值，称为翼型的中弧曲度，也称相对弯度。一般用百分数表示为
图1.6 *大厚度位置
图1.7 中弧线与*大弧高
1.1.3 机翼的平面形状
翼型只是进行机翼设计的特点之一。机翼的平面形状是机翼设计的另一个特点。机翼的平面形状是从上往下看，看到的机翼的外形轮廓。目前比较常见的机翼平面形状如图1.8所示。决定机翼*终平面形状的因素有许多，包括飞机的主要用途，翼载荷、设计飞行速度范围、结构与维修成本、操纵性、稳定性、失速与螺旋(尾旋)特性，机翼内是否放置油箱、机翼上是否安装增升装置、起落架等。机翼可能被做成梯形翼，机翼前缘或后缘可能是直线或者圆弧形的，翼尖可能是矩形或是弧形，每种外形都有优点和缺点，有些飞机甚至结合多种机翼平面形状特点来达到所期望的飞行特点。
图1.8 不同的机翼平面形状
*早的空气动力学工程师发现，矩形翼*靠近机身部分产生的升力是*大的，翼尖部分产生的升力就相对较小。他们认识到使机翼沿展向逐渐收缩能够节省宝贵的重量，并且使载荷的分布效率更高。而缺点是每个机翼内部支架的长度都不相同，增加了生产的时间和成本。矩形翼简单，由于内部支架的长度大小相同，其制造和维修成本低廉。对于那些造价便宜的飞机是*好的选择。矩形翼的另外一个优点是它的翼根部分会先失速，为飞行员提供了更显著的失速告警，也使失速改出更容易。至少对亚音速飞机来说，能提供*优展向载荷分布，并且产生*小诱导阻力的机翼平面形状是椭圆形。这种高效率所付出的代价是一旦失速整个机翼是同时进入的，这与失速逐渐由翼根向翼尖发展相比更不易被接受。椭圆翼的制造也是*困难、*昂贵、*复杂的，所以它们主要被运用于高性能飞机，如英国的喷火式战斗机。三角形翼具有大后掠和大收缩特点，它们主要被运用于超音速飞机，如幻影飞机。梯形翼展向载荷分布虽然较椭圆翼略差，但比矩形翼好且造价较低。Cessna 172综合了矩形翼的失速优点和梯形翼的载荷分布优点，其整个机翼的平面形状类似于椭圆形机翼。
各种不同平面形状的机翼，其升、阻力之所以有差异，与机翼平面形状的各种参数有关。机翼平面形状的参数有：尖削比、展弦比、后掠角。
机翼的翼尖弦线与翼根弦线的比值称为尖削比，又称梢根比。即
尖削比表示梯形翼根到翼尖的收缩度。它是描述机翼平面形状的参数之一。矩形翼的梢根比为 1，三角翼的梢根比为 0。现代飞机机翼的尖削比约为 0～0.5。
描述机翼平面形状的另一个参数就是展弦比。翼展是从一端翼尖到另一端翼尖的长度。几何平均弦是沿机翼展向的平均弦长，机翼面积是翼展乘以几何平均弦长。机翼面积通常包括机身和发动机短舱所占的部分。展弦比的定义为翼展与几何平均弦的比值。即
对于某些平面形状的机翼，平均翼弦是多长很难判断，所以经常使用翼展的平方除以机翼面积来计算平均翼弦，结果是相同的。即
大多数小型通用航空飞机，其机翼的展弦比是6～8，这就意味着这种机翼的翼展是其平均弦长的6～8倍。
决定机翼平面形状的另一个因素是后掠(前掠)。如果将 25%的翼弦点连接成一条直线，这条线与飞机纵轴不垂直，该机翼称为后掠(前掠)翼。后掠角(x)是表示机翼的平面形状向后倾斜程度的角度。三角翼也有用前缘线的倾斜角表示的，这时叫前缘后掠角，如图1.9所示。
图1.9 后掠翼的几何参数
现代飞机机翼的后掠角小到几度，大到60°以上。虽然存在前掠翼飞机，但几乎所有的飞机从翼跟到翼尖都是后掠的。高速飞机的后掠翼可以延缓可压缩流带来的问题；低速飞机的后掠翼有助于提高侧向稳定性。
机翼的形状除了上述的剖面形状和平面形状外，还有扭转角和上反角以及安装位置等参数，统称为构型。
1.2 地球大气
众所周知，地球的独一无二在于地球的大气能维持生命活动。大气层就是围绕地球的那一层空气。飞机是在大气的海洋里航行的飞行器。飞机上的空气动力、飞机与发动机的性能好坏都与大气条件有关。
1.2.1 大气的组成与分层
大气是包围着地球的空气混合物，这层空气为人、动物和地球上的生命提供防护，使免受过量紫外线辐射。氮气占大气气体体积的78%，氧气占21%。氩气、二氧化碳和其他痕量气体组成剩余的1%(图1.10)。
图1.10 大气的组成
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