無人機科普小知識丨詳解翼型和機翼升力係數
機翼的效率受受翼型的影響極大,在一定程度上是受翼型彎度和厚度的影響。

飛行器的機身和其他相似外形的部件也能產生一些微小的升力,大小取決於它們的外形和迎角。對於航天飛行的載人飛行器,專門設計了一個沒有機翼的「升力體」,但對於通常的飛行器來說,機體對升力的貢獻幾乎是可以忽略的。然而,機身確實會產生一些與升力可比較的力,它影響著飛行器的穩定性,而且其總是與使飛行器處於給定角下的安定面的配平作用力相反。相似的橫側向不穩定擾動由垂直安定面來阻止,它是一個與機身成直角安裝的小型的翼面,能產生側向力來糾正飛行器的偏航和側滑。
為了方便起見,空氣動力學家們將所有的非常複雜的機翼外形和配平等因素匯總簡化成一個係數,即升力係數,這個係數可以說明一個飛行器或者任意部件產生升力的情況。一個大小為1.3的升力係數Cl,表明它將比Cl=1.0或Cl=0.6時產生更大的升力,而Cl=0時則表明沒有升力產生。Cl沒有量綱,它是一個為了比較和計算而被抽象的量。
對於水平飛行,飛行器產生的總升力等於總重力,所以可以寫出:總升力=總重力,或者L=Wg。作用力=反作用力,式中,W為飛行器重量(Kg);g為重力加速度。
這個公式在飛行器下滑或是爬升過程中是不適用的。影響升力的因素是飛行器的尺寸或面積、飛行速度、空氣密度以及Cl等。這些因素中的任何一個增加,比如說更大的面積、更快的速度、更高的密度或者更高的升力係數,都能產生更大的升力。所以,當用公式表示升力是,希望這些因素都能體現在公式裡面,用數學語言表示,即升力是p、v、S和Cl的函數。
18世紀,在基本力學原理的基礎上,伯努利做出開創性的工作,給出升力的標準公式,可以表達為:L=½×p×v²×S×Cl
一個水平飛行的飛行器,升力必須等於重力。如果飛行器的重力增加了(或者說生產出來的飛行器比預計的要重些),所需的升力也必須增加,公式右邊的一個或者多個參數值就必須增加。
我們無法控制空氣密度p,但飛行器可以通過增大機翼迎角獲得更高的Cl來重新配平,也可以增加機翼面積S,儘管這可能會增加飛行器的重量並且可能導致飛行速度的增加。由於飛行速度v在公式中是以平方的形式出現的,在其他參數不變的條件下,v的小幅增加會導致升力的大幅增加。根據這個公式,在給定面積、配平的情況下,一個較重的飛行器需要比較輕的飛行器飛得快才行。但是,增加速度意味著消耗更多的能量,而且在某些情況下,飛行器發動機可能提供不了足夠的動力來保證飛行。此時,如果從一定高度放飛飛行器,它將會以某個角度下滑,就像滑翔機一樣(及時它的發動機處於最大狀態)。
(AOPA云:游傑)
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