空气动力学基本知识（二）

空气动力学基本知识（二）

第二章 模型飞机机翼的空气动力学

模型飞机之所以能在空中飞行，很重要的条件是需要有一副能产生足以支持模型重量的机翼。模型飞机飞行性能的好坏与机翼有很大的关系。尤其是竞赛留空时间的模型飞机，由于它的主要飞行阶段是滑翔飞行，所以机翼设计得好坏对于提高飞行成绩更为重要。
对于模型飞机来说，怎样的机翼才是合乎理想的呢?总括起来应考虑如下几个方面：
1、在特定的飞行条件下，翼型的升力系数愈大愈好，阻力系数则愈小愈好，并有尽可能大的升阻比(升力系数和阻力系数的比值)；
2、要有尽可能大的失速迎角，并且要有良好的失速特性；
3、要有足够的厚度，以便能在较小的结构重量下保证机翼有足够的强度和刚度；
4、要易于制作，不易变形并便于修理。
这些都涉及到空气动力学、结构型式，以及制造工艺等一系列问题。但主要矛盾仍然是空气动力学问题。而一个机翼设计得是否成功，在很大程度上又取决于翼型的设计或选择以及平面形状的设计。

2.1 翼型的几何形状及主要几何参数

翼型就是机翼或尾翼剖面的形状。下面将主要介绍机翼翼型，但有些情况下机翼和尾翼用的翼型不能截然分开，所以这里也附带提到尾翼的问题。翼型各部分的名称见图2-1。其中的翼弦及中弧线说明如下：翼弦是翼型的基准线。通常是翼型前缘点与后缘点的连线。机(尾)翼的迎角或机(尾)翼的安装角就是分别指机(尾)翼翼弦与相对气流方向或与安装基准(例如：机身纵轴)所成的角度。在制作模型时，为了便于测量，常常把与翼型下弧线最低两点相切的直线来代替翼弦，并用来计算机(尾)翼的安装角。一般地讲，用这种办法测得的机(尾)翼安装角要比实际值小。

中弧线是指翼型上、下弧线之间的内切圆圆心的连线。为了方便起见，也可以认为是翼型上、下弧线间距离的中点的连线。中弧线是对翼型性能影响最大的一个几何参数

一、翼型类型
虽然模型飞机所用翼型的外形千差万别，但根据外形的特点一般可以分为六种（图2-2）：

1、对称翼型——它的中弧线是一根与翼型弦线重合的直线。翼型上、下弧是对称的。这种翼型的阻力系数比较小，但升阻比也小。主要用作线操纵和遥控特技模型的机翼翼型，以及一部分模型飞机的尾翼翼型。
2、双凸翼型——它的上、下弧线都是外凸的，但上弧线的弯度比下弧线大，所以中弧线是向上凸的。虽然这种翼型的阻力要比对称翼型大，但可以获得较大的升阻比。它主要用作线操纵竞速模型及无线电遥控特技模型的翼型。
3、平凸翼型——它的下弧线是一条直线。中弧线的弯度要比双凸翼型大。最大升阻比也比双凸翼型大。主要用作速度不太高的初级线操纵或遥控模型的机翼翼型，以及竞时模型的水平尾翼翼型。
4、凹凸翼型——它的下弧线向内凹入，所以中弧线弯度比平凸翼型大，阻力也比较大。但能产生较大的升力，升阻比也较大。这种翼型广泛地用于竞赛留空时间的模型上，主要用作机翼翼型，也可用弯度较小的凹凸翼型作水平尾翼翼型。
5、S形翼型——它的中弧线象是横放的“S”
图2-2基本翼型 形。前面讲的四种翼型，其压力中心将随着迎角增加而逐渐前移，所以它的力矩特性是不安定的，模型飞行时的安定性全靠水平尾翼来保证。但S形翼型本身的力矩特性就是安定的，所以可用在没有水平尾翼的飞翼式等模型上。
6、特种翼型——从字面上看就知道，这是指为了满足某种性能指标或要求而设计的非同寻常的翼型。用于模型飞机上的“特种翼型”，大多是航模爱好者为了提高飞行成绩，依据空气动力学原理进行探索性研究而设计的。这类翼型有：最大厚度点在60%弦长处的“层流翼型”；下表面后缘下弯以增大机翼升力的“弯后缘翼型”；为了改善气流流过翼型尾部的情况，而将翼型尾部做成一块平板的“平板式后缘翼型”；头部处比一般翼型多出一片薄片，作为扰流装置以改善翼型上表面边界层状态的“鸟嘴式前缘翼型”，以及下表面有凸出部分以增加机翼刚度的“增强翼型”等。

二、翼型的主要几何参数

研究表明，翼型的性能与它的几何外形有很大关系，而在构成翼型形状的几何参数中，对性能好坏起决定性作用的有下面几项：
1、 中弧线弯度f或翼型相时弯度f中弧线与翼型弦线之间的最大垂直距离称为中弧线弯度，或翼型的最大弯度，简称翼型弯度f。它和翼弦b的比值称为翼型的相对弯度：中弧线弯度对翼型升力和阻力有直接关系。在一定范围内，弯度愈大，升阻比愈大。但如过大，阻力增加很快，升阻比反而下降。
2、中弧线最高点位置Xf或Xf
指中弧线最高点到翼型前缘的距离fr亦称为弧位，通常也用它占翼弦长的百分数来表示：中弧线最高点位置与翼型上表面边界层的特性有很大关系。竞时模型飞机翼型的中弧线最高点位置一般在35%～55%。
3、翼型最大厚度C或最大相时厚度C
翼型上弧线与下弧线之间内切圆的最大直径称为翼型最大厚度C。对于弯度和厚度都不太大的翼型，可以用上弧线与下弧线的最大垂直距离来近似地表示。为了便于比较，可用相对于翼弦长度的百分数来表示，称为最大相对厚度或简称相对厚度： 翼型相对厚度不仅影响模型机翼的强度和刚度，而且也影响翼型的性能。一般讲，厚度愈大，阻力也愈大。而且，在低雷诺数下，较厚的翼型容易保持层流边界层。所以，竟时模型在强度和刚度允许的情况下，应尽可能采用较薄的翼型。
4、翼型最大厚度位置或最大厚度相对位置Xc,Xc是指翼型上弧线与下弧线之间最大内切圆圆心到翼型前缘点的距离。若用翼型上弧线与下弧线之间的最大垂直距离来表示翼型最大厚度，则最大厚度所在位置与前缘之间的距离即为最大厚度位置。为了便于比较，通常也用占翼弦的百分数来表示：
翼型最大厚度位置对翼型上表面边界层特性有很大影响，过分后移会使模型的安定性变坏。“层流翼型”的最大厚度位置在50%～60%翼弦。它在较小的迎角范围内具有良好的性能，但如迎角稍有变化，就会使飞行性能骤然变坏。
5、翼型的前缘半径r或前缘相对半径r即通过前缘点又和上、下弧线相切的小圆半径r。为了便于比较，用占翼弦的百分数表示：翼型前缘半径决定了其型头部的“尖”或“钝”。如果翼型头部太“尖锐”，在大迎角下气流容易分离，使模型的安定性变坏。头部太“钝”，又会使阻力增大。

2.2 翼型的座标表示法及画法

一、翼型的座标表示法
翼型的外形通常都是用座标数据来表示的。有时候还在座标数据附近画出这个翼型的外形，以便选用时能作直观的比较。表2-1中列出了翼型座标数据。它以翼型前缘为原点，沿着翼弦按一定的间距在翼型上、下弧线上选出一些点，把这些点到翼弦的距离用翼弦长度的百分数来表示。表格的第一行X是横座标，表示上、下弧线上这些点到前缘的距离；第二行Y上是上弧线各点的纵座标，即对应于第一行横座标的上弧线各点到翼弦的垂直距离；第三行Y下是下弧线各点的纵座标，即对应于第一行横座标的下弧线各点到翼弦的垂直距离。
二、翼型的画法
有了翼型的座标数据，可以很方便地画出任何弦长的翼型来。画翼型前，首先要决定翼弦的长度。将翼弦长度乘上表中的数据再除100，就可以得出所需要的实际长度。例如要用表2-1的数据画一个翼弦长为100毫米的翼型，步骤如下：
l、首先在纸上画一直线代表翼弦。在这直线上量出翼弦的长度
2、对照表中第一行在翼弦上量出各点距离。譬如第一行的30便表示离前缘的距离是30100/100=30毫米，可在离前缘30毫米的地方轻轻地点上一点。依此类推，作出其他的点，并通过所有这些点作出垂直翼弦的线
3、按表中第二、三行的数值将上弧与下弧对应点的距离算出来。在上例中，离前缘30毫米处的翼型上弧到翼弦的距离是11.65100/100=11.65毫米；下弧到翼弦的是-0.38*100/100=-0.38毫米(负值表示这一点在翼弦下面)。根据算出来的数值，便可以在刚才画好的垂直线上(离前缘30毫米的那一条)定下两点：一点在翼弦上面离翼弦11.65毫米；另一点在翼弦下面，离翼弦0.38毫米。可用同样方法将各个距离的上下弧的点都标出来.
4、将点出来的各点连成圆滑的曲线，便得到翼型的形状如果用上法求得的点不能连成连续的圆滑的曲线，说明存在错误：可能是距离没有算好；或者量的不准确、正负号没有注意。最好将画出来的翼型与资料中同一种翼型的形状对照一下，往往可以及时纠正错误。

2.3 翼型的名称

无论对真飞机或模型飞机来说，翼型都起着重要的作用。因此，多年来设计和研究了数以千计的翼型。种类很多，形状各异。为了加以区别，每种翼型都有自己的“姓”和“名”。翼型的
“姓”一般用它的设计单位或设计者的名称或代号表示，而翼型的