4.4.2 影响阻力的因素
阻力和升力都是空气动力,影响升力变化的因素也同样影响着阻力的变化。飞行速度和空气密度增大,都会引起阻力增加,这和它们对升力的影响是一样的。机翼面积大,产生阻力的地方就多,所以阻力也大。迎角增加,机翼和飞机其他部分后部的涡流增多,这会导致阻力加大。特别是超过临界迎角以后,机翼后部的涡流显著增多,压差阻力将迅速变大。阻力的大小还与飞机的外形和表面粗糙度有关,表面粗糙度越好,阻力越小;如果飞机的表面变得不光洁了,空气与飞机的摩擦就会加剧,摩擦阻力也就增大。如果飞机外形改变了,空气不能顺利地流过,产生的涡流就会增多,压差阻力随之加大。
1.翼型阻力
形状阻力(形阻)或压差阻力是由于气流的经过,物体周围压力分布不同而造成的阻力,而蒙皮摩擦阻力或黏性阻力是由于空气和飞行器表面接触产生的。将这些阻力分类是非常有必要的,这些阻力很显然是同时产生的。例如,在图4-23所示的机翼中,除涡阻力外,还会同时产生形状阻力(形阻)和蒙皮摩擦阻力(摩阻)。蒙皮摩阻和形阻之间的关系非常密切:一个会影响另外一个。举例来说,蒙皮摩阻很大程度上是由气流的速度决定的,而流向后方的流体的速度是由物体外形来决定的。因此,特别是在考虑机翼时,形阻和摩阻通常放到一起考虑并用一个新的名词重新命名——翼型阻力,经常也称型面阻力。与诱导阻力相比,蒙皮摩阻和形阻都直接与速度的平方成正比。所以,当速度增加而诱导阻力减少时,形阻和蒙皮摩阻增加;反之亦然。
2.涡诱导阻力
诱导阻力现在更多地被称为涡诱导阻力,简称涡阻力或涡阻。因为它是与从机翼翼尖或任意表面拖出的涡联系在一起的,而这些涡产生了升力。涡的出现是直接跟升力联系在一起的:给定机翼的升力系数越高,涡的影响也越明显(这个可以与附着涡的强度联系起来。附着涡越强,升力越大,同样翼尖涡系越强,阻力也越大)。当水平飞行速度v较低的时候,飞行器相对于高速状态来说必须工作在高升力系数下,飞行器的诱导阻力随着速度的降低而大大增加(数学上,涡诱导阻力与L/v 2成正比)。上面提到的升阻比L/D在低速状态下会降低,涡阻力的增加是一个主要因素,但不是唯一的原因。
涡诱导阻力如图4-23所示。
3.总阻力
飞行器在每个速度下的总阻力由总的涡阻力和所有其他的阻力组成,如图4-24所示。在涡阻力等于其他阻力和的地方,阻力达到最小值。由于在给定飞行器质量的水平飞行中,升力是个常数,在曲线上最小阻力点处就是飞行器的最大升阻比出现的位置。一个滑翔机的极曲线的形状与这条曲线密切相关,例如,用下沉速度比平飞速度而不是用总阻力系数比总升力系数。
图4-23 涡诱导阻力
图4-24 飞行器总阻力组成
4.展弦比
展弦比(Aspect Ratio)为飞机空气动力学的专有名词,是翼展长度与平均气动弦长的比值。无人机在设计时需要根据任务需求选择展弦比。
大展弦比表明,机翼比较长且窄;小展弦比则表明机翼比较短且宽。无论主翼、水平尾翼,还是垂直尾翼都适用一样的定义。在飞行器设计时,一般会将提供力矩的水平尾翼的展弦设计得比较小,使其在失速时拥有较好的失速特性:如较大的攻角仍然能保持不失速,升力系数下降率较为平缓等;当主翼失速时还能有姿态控制的能力进而脱离失速。一般垂直尾翼展弦比小于水平尾翼展弦比,水平尾翼展弦比小于主翼展弦比。
展弦比的设计同时关系到飞行器的性能。短而宽的机翼(低展弦比)型阻较小,适合高速无人机。而长航时无人机多采用高展弦比,以降低诱导阻力,如捕食者。自然界中更是如此,需要长时间飞行的信天翁,翅膀展弦比高,而如隼或老鹰等需要掠食的鸟类,甚至可以在盘旋时伸展翅膀提高展弦比,攻击或向下俯冲时收回翅膀以求高速、灵活。部分无人机也设计有类似的改变展弦比的功能。