[科普中国]-诱导阻力

物理简介

机翼同一般物体相似，也有摩擦阻力和压差阻力。对于机翼而言，这二者合称“翼型阻力”。机翼上除翼型阻力外，还有“诱导阻力”（又叫“感应阻力”）。这是机翼所独有的一种阻力。因为这种阻力是伴随着机翼上升力的产生而产生的。升力的产生来源于机翼上、下表面的压强差，即下表面的压强大于上表面。翼尖附近的气流在压差的作用下会由下向上绕，这样既减小了升力，又产生了阻力，这就是诱导阻力。因此可以说它是为了产生升力而付出的一种代价。2

产生因素当机翼产生升力时，机翼下表面的压力比上表面的大,而机翼翼展长度又是有限的，所以下翼面的高压气流会绕过两端翼尖,向上翼面的低压区流去。当气流绕过翼尖时,在翼尖部分形成旋涡,这种旋涡的不断产生而又不断地向后流去即形成了所谓翼尖涡流。2

翼尖涡流使流过机翼的空气产生下洗速度,而向下倾斜形成下洗流。气流方向向下倾斜的角度,叫下洗角。

由翼尖涡流产生的下洗速度,在两翼尖处最大,向中心逐渐减少,在中心处最小。这是因为空气有粘性,翼尖旋涡会带动它周围的空气一起旋转,越靠内圈,旋转越快,越靠外圈,旋转越慢。因此离翼尖越远,气流下洗速度越小。

图示的就是某一个翼剖面上的下洗速度。它与原来相对速度v组成了合速度u 。u与v的夹角就是下洗角a1。下洗角使得原来的冲角a减小了。根据举力Y原来的函义，它应与相对速度v垂直，可是气流流过机翼以后，由于下洗速w的作用，使v的方向改变，向下转折一个下洗角a1，而成为u。因此，升力Y也应当偏转一角度a1，而与u垂直成为y1。此处下洗角很小，因而y与y1一般可看成相等。回这时飞机仍沿原来v的方向前进。y1既不同原来的速度v垂直，必然在其上有一投影为Q；。它的方向与飞机飞行方向相反，所起的作用是阻拦飞机的前进。实际上是一种阻力。这种阻力是由升力的诱导而产生的，因此叫做“诱导阻力”。它是由于气流下洗使原来的升力偏转而引起的附加阻力，并不包含在翼型阻力之内。2

相关资料在日常生活中,也可观察到翼尖涡流的现象。例如大雁南飞,常排成人字或斜一字形,领队的大雁排在中间,而幼弱的小雁常排在外侧。这样使得后雁处于前雁翅梢处所产生的翼尖涡流之中。翼尖涡流中气流的放置是有规律的,靠翼尖内侧面,气流向下,靠翼尖外侧,气流是向上的即上升气流。这样后雁就处在前雁翼尖涡流的上升气流之中,有利于长途飞行。2

实验验证从实验也可看出翼尖涡流的存在。当机翼产生正升力时,由于机翼下表面的压力比上表面的大,故空气从下翼面绕过翼尖翻到上翼面。因而处在两翼尖处的两个叶轮都放置起来,在左翼尖的向右放置(从机尾向机头看),在右翼尖的向左放置。升力增大,上下翼表面压力差增大,叶轮放置得更快。升力为零,上下翼面无压力差,叶轮不转动。若机翼产生负升力,则上翼面的压力比下翼面大,故两叶轮就会反转。 飞行中,有时从飞机翼尖的凝结云也可看到翼尖涡流。因为翼尖涡流的范围内压力很低,如果空气中所含水蒸汽膨胀冷却而凝结成水珠,便会看到由翼尖向后的两道白雾状的涡流索。

升力是和相对气流方向垂直的。既然流过机翼的空气因受机翼的作用而向下倾斜,则机翼的升力也应随之向后倾斜。实际升力是和洗流方向垂直的。把实际升力分解成垂直于飞行速度方向和平等于飞行速度方向的两个分力。垂直于飞行速度方向的分力,仍起着升力的作用,这就是我们经常使用的升力。平行于飞行速度方向的分力,则起着阻碍飞机前进的作用,成为一部份附加阻力。而这一部分附加阻力,是同升力的存在分不开的,因此这一部分附加阻力称为诱导阻力。

实践表明,诱导阻力的大小与机翼的升力和展弦比有很大关系。升力越大,诱导阻力越大。展弦比越大,诱导阻力越小。

发展简史诱导阻力是飞机产生的阻力中的一部分。早在20世纪20年代,Mur火等人对翼型的诱导阻力进行了理论研究。20世纪50年代,Robert等人基于Mukn理论研究了在给定机翼上升力和弯曲力矩的情况诱导阻力与机翼沿展向升力分布之间的关系。随着主动控制技术以及传感器、舵机技术的发展，以美国发起的主动气动弹性机翼(AAW)工程和欧洲各国联合发起的主动气动弹性飞机结构(3AS)充分利用结构的弹性效应，通过智能结构、主动控制技术提高机翼的操纵效率、改变机翼的载荷分布、减小诱导阻力等，从而极大地提高飞机的整体性能。又由于诱导阻力对于商用运输机以及长航时无人机具有非常重要的影响，因此，减小诱导阻力的实验以及理论方法研究成为研究的热点。1

应用领域诱导阻力是阻力中的一部分，在有动力飞行初期就引起了航空界的关注，随着主动控制技术以及传感器、舵机技术的发展，美国主动气动弹性机翼(AAW)工程和欧洲主动气动弹性飞机结构计划(3AS)充分利用结构的弹性效应，通过智能结构、主动控制技术提高机翼的操纵效率、改变机翼的载荷分布、减小诱导阻力等，从而极大地提高飞机的整体性能。

减小诱导阻力对高空长航时无人机以及大型飞机具有重要意义。诱导阻力在巡航时约占总阻力的 40%，在爬升时会占总阻力的一半还多，有时达70%；根据 Breguet 关系式，诱导阻力的减小可以提高升阻比，降低燃油消耗率，减少飞机的质量，从而增加飞机的航程，降低飞行成本。因此，降低诱导阻力为大型飞机研制的关键技术。最近，美国犹他州立大学的 Phillips 采用展向环量控制减小诱导阻力，并已取得相关专利。3