空气动力与飞行

林同骥

从日常生活经验里我们知道：快跑的时候会感觉到空气的力量吹在身上，大风起来的时候会飞沙走石。这些事实表明：物体在空气中作相对运动时，在物体上会产生一种力量，这种力量就叫做空气动力。飞行器在空气中飞行时，因为它速度快，所受到的空气的作用力就更大。如何控制并利用空气动力，便成为飞行中的重要问题。

飞行中的空气动力问题主要可分两方面来讨论：一方面是飞行器的升力问题，就是如何利用空气动力来供给升力，使得飞行器能克服地球引力而上升。另一方面是飞行器的推力问题，就是如何利用空气动力来供给推力，减小阻力、使飞行器能快速前进。升力问题是飞行器所特有的，因为它需要离开地面，不然就不成其为飞行。推力问题是一切交通运输工具所共有的，运动中的物体一般都要受到空气的阻力，不过这个问题在飞行中特别严重，因为飞行速度快，阻力大。

让我们先讨论升力问题：随着飞行速度的增长，飞行器克服地球引力而上升的方法也就不同。在低速飞行里，如气球和飞艇等，它们的上升主要是靠空气的浮力。浮力的大小等于飞行器所排斥的同体积空气的重量。因此这类飞行器的重量要比同体积的空气轻，才能起飞。这种情况下我们所利用的只是空气的静压力。

当飞行速度比较快时，我们可利用机翼来供给升力。这类飞行器的代表是飞机。飞机向前运动时引起机翼和它周围空气的相对运动，由于这相对运动而引起的机翼上下两面的压力差叫做升力。升力的大小和飞机向前运动速度的平方成正比。向前运动速度很小时，升力也很小，不能起飞。所以飞机起飞时要先在地面滑动到一定速度，使得升力超过飞机的重量后，飞机才能上升。要注意的是这里所讲的升力和浮力不同，升力的产生主要依靠机翼的形状和空气的流动。空气不动时升力消失，但浮力仍旧存在。

飞行速度更快的飞行器是火箭，它利用喷射出来的气体的反作用力来克服地球引力。当火箭向下喷气时，喷出的气体给火箭以反作用力，推动火箭上升。反作用力的大小要受到火箭外部大气压力的影响，但反作用力主要是依靠火箭自身喷出的气体。所以在没有大气的真空里，浮力和升力都不存在时，仍可利用喷气的反作用力来推动飞行器前进和飞行。

飞行器环绕地球飞行时所走的轨道是个曲线，因此就产生离心力。当飞行速度达到每秒八公里以上时，离心力可与地球引力平衡，这样飞行器可继续在轨道上飞行而不坠落。这类飞行器的显著的例子就是人造卫星。飞行速度再加快就可能脱离地球或太阳引力，作宇宙航行。

上面讨论的是升力问题，下面准备谈些飞行器的推力和阻力问题。飞行器所受到的空气的阻力与飞行速度平方成正比，所以速度愈大阻力也愈大。在低速飞行里，如飞艇和速度较低的飞机，它们一般利用发动机转动螺旋桨产生推力。螺旋桨的原理和机翼相似，由于桨叶和空气的相对运动使得桨叶后面的压力大于前面，两面的压力差就是推力。飞行速度接近声速时，由于空气的压缩作用，螺旋桨效率减低，不合使用。这种情况下一般利用喷气发动机，将燃烧后的高温气体从飞行器后面喷出，利用气体的反作用力推动飞行器前进。这个原理和火箭的推进机一样，所不同的是喷气发动机所用的氧气是从大气中吸取，而火箭则自带氧气。

减阻的方法一般是尽量使飞行器外形简单，呈流线型，以减低干扰，避免气流分离。因为气流分离后会产生涡流、增加飞行器的摩擦阻力和压差阻力。这种现象和附面层有关。一个有效的稳定附面层的方法是把变厚了的附面层由飞行器表面的孔隙吸入，然后经过压缩机从飞行器后面排出。在超声速飞行里，采用后掠角及避免或减低激波和附面层的相互作用，是减低阻力的一个办法。在高超声速飞行里，空气与飞行器表面摩擦产生高热，会将飞行器烧坏，因此要注意冷却和热传导问题。此外在高温下空气会发生分离和电离，在高空飞行中空气特别稀薄，这些情况下有许多新的空气动力问题，需要我们研究。

最后我们应该指出，除了升力、推力和阻力以外，飞行器的操纵和稳定问题，主要也靠空气动力，同时它们之间都有密切的关系，不能够孤立开来看。此外由于飞行问题的复杂性，除要掌握理论以外，飞行器的设计归根还要靠实验，因此实验工具和技术的发展特别值得我们注意。