* 亞音速(subsonic):0.75馬赫以下
* 跨音速(transonic):0.75到1.20馬赫
* 超音速(supersonic):1.20到5.00馬赫
* 高超音速(hypersonic):5.00馬赫以上
而跨聲速和超音速范圍通常出現(xiàn)在軍用飛機(jī)上,民用噴氣飛機(jī)通常的運(yùn)行在巡航速度范圍0.78到0.9馬赫之間。飛機(jī)機(jī)翼的任何部分的氣流速度第一次達(dá)到(但是不超過(guò))1.0馬赫稱(chēng)為飛機(jī)的臨界馬赫數(shù)(Mach Crit)。因此,臨界馬赫數(shù)是亞音速飛行和跨音速飛行的邊界,也是跨音速飛行中遇到的所有壓縮影響的重要參考點(diǎn)。沖擊波,振動(dòng)和氣流分離發(fā)生在臨界馬赫數(shù)以上。典型的噴氣式飛機(jī)巡航于或靠近它的臨界馬赫數(shù)時(shí)達(dá)到最高效率。超出臨界馬赫數(shù)5%-10%的速度時(shí)壓縮性影響開(kāi)始發(fā)生。阻力開(kāi)始快速增加。隨阻力的增加同時(shí)飛機(jī)發(fā)生振顫,平衡和穩(wěn)定性發(fā)生變化,控制面的有效性也降低。這叫阻力發(fā)散點(diǎn),是選擇高速巡航操作的典型速度。在超出高速巡航的某個(gè)點(diǎn)是渦輪動(dòng)力飛機(jī)的最大運(yùn)行極限速度:Vmo/Mmo。如圖3-41。
Vmo是以節(jié)為單位的最大運(yùn)行速度,這個(gè)速度限制空氣壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的反作用力,預(yù)防飛機(jī)顫動(dòng)。Mmo是以馬赫數(shù)表示的最大運(yùn)行速度。飛機(jī)不應(yīng)該超出這個(gè)速度飛行。這樣做會(huì)遇到壓縮性的完全影響的風(fēng)險(xiǎn),包含可能失控。
馬赫數(shù)和空速
特定飛機(jī)的速度如臨界馬赫數(shù)或者最大運(yùn)行馬赫數(shù)發(fā)生在一個(gè)給定的馬赫數(shù)。而真空速(TAS)隨外部空氣溫度的變化而變化。因此,對(duì)應(yīng)于特定馬赫數(shù)的真空速可能有相當(dāng)?shù)淖兓?多達(dá)75-100節(jié))。當(dāng)一架飛機(jī)以恒定馬赫數(shù)巡航進(jìn)入一個(gè)空氣溫度較高的區(qū)域,真空速和需要的燃油都增加,航程會(huì)降低。相反的,當(dāng)進(jìn)入較冷溫度的區(qū)域,真空速和需要的燃油降低,航程增加。
一架運(yùn)行在高海拔高度的飛機(jī),任何給定馬赫數(shù)時(shí)的指示空速(AIS)隨某高度層之上的高度增加而降低。相反情況發(fā)生在下降時(shí)。通常的,爬升和降落在低高度時(shí)是用指示空速來(lái)完成的,而在較高高度時(shí)是用馬赫數(shù)完成的。
和運(yùn)行在低高度時(shí)不同,噴氣飛機(jī)的失速指示空速隨高度的增加而明顯增加。這是因?yàn)橐粋(gè)事實(shí),即真空速隨高度而增加。在高的真空速時(shí),空氣壓縮導(dǎo)致機(jī)翼上和皮托管系統(tǒng)中的氣流畸變。同時(shí),以最大運(yùn)行馬赫數(shù)表示的指示空速隨高度而降低。最終,飛機(jī)將達(dá)到一個(gè)高度,在那里真空速和最大運(yùn)行馬赫數(shù)之間只有很小差別或者相等。
邊界層
空氣有粘度,在翼面流動(dòng)時(shí)會(huì)遇到阻力。氣流的粘度特性會(huì)降低翼面上局部的速度,也是蒙皮摩擦阻力的原因。當(dāng)空氣通過(guò)機(jī)翼表面時(shí),最接近翼面的空氣粒子趨于靜止。后一層粒子速度減低,但是沒(méi)有停止。在距離翼面很小但是可以度量的范圍內(nèi),空氣粒子以自由流動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)。翼面的氣流層由于空氣的粘性而速度降低或者停止,這個(gè)氣流層稱(chēng)為邊界層。一架飛機(jī)上典型的邊界層厚度范圍從靠近機(jī)翼前緣的幾分之英寸小到大飛機(jī)末尾的12英寸,如波音747。
有兩種不同類(lèi)型的邊界層流:層流和紊流。層流邊界層是非常平滑的氣流,而紊流邊界層包含漩渦和逆流。層流產(chǎn)生的表面摩擦阻力比紊流少,但是穩(wěn)定性低。翼面上的邊界層流開(kāi)始是平滑的層流。當(dāng)氣流從前緣繼續(xù)向后,層流邊界層的厚度增加。從前緣向后的一段距離開(kāi)始,平滑的層流開(kāi)始分散過(guò)度成為紊流。從阻力的觀點(diǎn)看,讓層流到紊流的過(guò)渡區(qū)盡量朝機(jī)翼后面靠是明智的,或者讓機(jī)翼的很大部分面積處于邊界層的層流部分范圍內(nèi)。然而,能量低的層流比紊流更會(huì)突然分散。
另一個(gè)和粘性氣流有關(guān)的現(xiàn)象是分離。分離發(fā)生在當(dāng)氣流突然從機(jī)翼離開(kāi)時(shí)。自然的過(guò)程是從層流邊界層到紊流邊界層,然后再變?yōu)闅饬鞣蛛x。氣流分離產(chǎn)生很大阻力,極大的破壞升力。邊界層分離點(diǎn)隨著機(jī)翼迎角的增加而沿機(jī)翼向前移動(dòng)。如圖3-42
渦流發(fā)生器用于延遲或者避免在跨音速飛行時(shí)遇到的沖擊波誘導(dǎo)邊界層分離。渦流發(fā)生器是小的低反弦角比機(jī)翼,相對(duì)于氣流的迎角為12度到15度。它們通常在副翼或者其他控制面之前距機(jī)翼幾英寸距離。渦流發(fā)生器產(chǎn)生渦流,它把邊界層流和靠近翼面之上的高能量氣流混合。這就產(chǎn)生較高的表面速度,同時(shí)增加了邊界層流的能量。因此,要導(dǎo)致氣流分離就需要更強(qiáng)烈的沖擊波。
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