飛機為什么能飛起來?

很多人會說我知道，我知道。因為伯努利效應嘛。機翼上方為弧形。氣流流過機翼時間不變，上表面路程更長，速度更快，壓力更小，所以產(chǎn)生壓差，產(chǎn)生升力。那么，真的是這樣的嗎?

音速之下

上面的解釋看起來完美無缺，但是細心觀察我們就會發(fā)現(xiàn)還是有很多漏洞的，有些朋友就產(chǎn)生疑惑了，我看有些飛機翼型明明是對稱的啊，而且我看航展上倒飛的飛機比比皆是，憑啥也有升力?

這就牽扯到另外一個重要的概念：攻角（也被稱為迎角，注意不是仰角，仰角是機翼和水平地面的夾角）。攻角也稱迎角，是指翼弦線（連接機翼前緣和后緣的直線）與流體方向之間的夾角。當攻角為零時，對稱翼型確實不產(chǎn)生升力；但是對稱翼型只是關于翼弦線對稱，當攻角不為零時，此時翼弦線與風速方向不再一致，失去了對稱性，一樣能通過產(chǎn)生路徑差，造成流速不同，產(chǎn)生升力。

不過這里面要提一下，雖然這種升力確實來源于流速差，但是傳統(tǒng)的基于同時原則要求來流在經(jīng)過機翼后同時交匯因此產(chǎn)生速度差的解釋其實存在問題，因為現(xiàn)代風洞實驗表明，流過上表面的氣流往往會更早的流至機翼后緣，不再交匯。需要詳細了解的可以看一下這個視頻BV1by4y1U7KL(但是事實上這個解釋也比較偏入門級，但我已就這個等級了，再深我也搞不懂)

通過加速上表面的氣流來產(chǎn)生升力的飛行器往往長這個樣子。

這種升力解釋也可以解釋大部分低于音速飛行的飛行原理，但是對于接近音速的飛行器就不行了。

跨音速

那么我們飛行速度快一點，在接近音速的時候，激波就出現(xiàn)了。我們在此先了解一下激波和音速的關系。首先我們要知道聲波的是介質(zhì)中壓強擾動以波形式傳遞，就像接力賽一樣把速度傳遞給前面的空氣粒子，而自己傳遞后停留在原地。其傳遞速度就是聲速，因此在低于音速飛行前，這種壓力能夠正常擴散。到達音速的時候飛行器的速度和波的速度一致，波與波之間形成了一道“墻”，也就是所謂的音障。而在超音速后，飛行器形成的壓力波，后面形成的總是能夠“追上”前面的波，一道又一道波連續(xù)在一起，形成了所謂的壓縮波，也就是激波，

因為波已經(jīng)連到一塊了，對于激波內(nèi)的氣流來說，其速度變化就不是單單的傳遞那么簡單了，因此在激波內(nèi)部和飛行器的相對速度也會下降，壓強增大。

說了這么多，那么在機翼接近音速的時候會發(fā)生什么事呢？我們知道傳統(tǒng)翼型上表面會加速的更快，也就意味著上表面的氣流會更快到達音速，達到音速形成激波，氣流直接往上脫離了，不再吸附于機翼上表面，直接就失速了，怎么辦呢？于是便有了超臨界翼，比較典型的如運20，C17這種亞音速飛行的飛機都選擇了這種翼型，

直接把上表面切平，減少其對氣流的加速，而作為補償，機翼下表面凹進去一塊，后緣存在非常明顯的下掠，對于這種翼型來說，其升力就是來自牛頓定律，氣流向下偏轉，相應的機翼收到向上的力

(其實嚴格來說將升力分為伯努利解釋和牛頓力學解釋并不合理，一方面的伯努利解釋本身就符合牛頓力學，伯努利效應畢竟也是在宏觀低速的情況下的，只是牛頓力學的一種特殊情況罷了，另一方面兩種作用往往是同時存在，并互相影響的產(chǎn)生升力的）

超音速

那么我們更快一點，直接讓這個飛行器超過音速會怎樣?這種情況下升力來源就成了激波產(chǎn)生的高壓。典型的超音速翼型長這個樣子，

即機翼呈菱形，超音速氣流與機翼，相撞，上表面因為和氣流方向相平行，在理想情況下不產(chǎn)生激波，而下表面則因為飛機的速度比音速快，后面產(chǎn)生的“波”總是能追上前面的波，形成壓縮波（也就是前文介紹的激波）因此對氣流不斷減速，壓力更大，然后為了防止形成真空導致出現(xiàn)很多的壓差阻力，上下表面開始合攏，此時上表面向下偏轉，氣流膨脹形成低壓，此時壓差也存在了，也會形成一道又一道的壓力波，但是問題在于壓力波的速度是音速，而飛機本身的速度比音速快，激波等于說是被一道一道的甩開了，無法形成連續(xù)的激波，因此這種波叫做膨脹波，其壓強仍然低于下表面，依然有壓差提供升力。

這個時候有趣的事情發(fā)生了，我們假設一個機翼同時符合理想的亞音速機翼和超音速機翼的特征（事實上現(xiàn)實中戰(zhàn)斗機的機翼就是要結合著兩種機翼的優(yōu)點，不過往往不能完全兼顧罷了）亞音速時上表面最大凸起的時候速度最快，壓力最小，機翼的升力的中心在大約1/4處，

而超音速時，升力基本均勻分布，機翼升力的中心則變成在1/2處，

機翼的升力中心后移，這也就是為什么大多數(shù)飛機超音速后氣動焦點后移的原因，而跨音速段氣動焦點變化太大，對于那種亞音速氣動焦點在前，超音速后氣動焦點的飛機上來說，變化太大難以控制，同時機翼也會使勁震顫，這也是所謂蘇27跨音速陷阱的由來，而像F15這種氣動焦點一直在后的飛機就基本上不會有這個問題。我們知道超音速下的理想翼型和亞音速下的理想翼型不太一樣，但是問題在于然后超音速的飛機再怎么也得經(jīng)過低速的飛行才能超音速啊，現(xiàn)在的飛機往往可以通過大量的風洞吹風模擬，還有超級計算機模擬，選擇一個兼顧低速和高速的折中翼型，但是在人類剛學會超音速的年代，對速度的追求，和對空氣動力學了解的薄弱導致當時很難做到權衡。

超音速是目標，那么只能找一種低速下不太依賴機翼外形的升力來源。這個時候工程師想到了科恩達效應，也就是所謂附壁效應，

我們知道氣體是具有粘性的，因此射流具有連帶射流附近的氣流一期加速的特性，當射流的一側有壁面時，受壁面的阻隔，射流帶走部分空氣后，原來的地方得不到足夠的空氣補充，當?shù)氐膲簭娋蜁档?，氣流則因為靠近壁面部分的氣壓的氣壓低被壓向壁面。因此射流具有依附于壁面的特性，同時射流因為速度較快壓力小，也能產(chǎn)生可觀的升力，

F104上的吹氣襟翼就是基于此原理設計的，極大程度的改善了F104的低速性能（當然依舊很寡婦制造者就是了）。

高超音速

那么我們更更快一點呢？這里就要介紹一下乘波體飛行器了，需要指出一下乘波體的飛行原理和超音速下機翼的原理沒有本質(zhì)不同。本質(zhì)上都是利用激波產(chǎn)生的壓縮升力。在了解乘波體前我們要先了解一下激波的特性，激波分為兩種：脫體激波（也被稱為正激波）和附體激波（也被稱為斜激波），在超音速下鈍頭體飛行器因為其傾斜角超過了激波的后掠角，

因此會繼續(xù)撞擊氣流，帶動氣流向前，直到相對速度低于音速，并且飛行器本身和激波不接觸。

而附體激波則其傾斜角小于激波后掠角，因此物體前緣始終能保證和激波接觸，顧稱附體激波。同時因為氣流可以向兩邊跑路，只要不和飛行器接觸就行了，因此經(jīng)過附體激波后的氣流和飛機的相對速度是可以超過音速的。然后我們再了解一下激波的特性，即激波內(nèi)的氣體不會流向激波外。還有氣體本身固有的從高壓流向低壓的特性。那么乘波體究竟應該怎么理解呢？首先上上表面，遵循上表面完全和來流平行的原則，不產(chǎn)生激波。而下表面則要求下表面激波產(chǎn)生的高壓區(qū)不會忘上表面延伸。怎么辦呢？通過連續(xù)的附體激波保證將乘波體和上表面和下表面的氣流分割開來。就開始實現(xiàn)升阻比的最大化。

多說無用，今天終極側衛(wèi)35姬手把手教你怎么做一個年輕人的第一個乘波體。

第一步，先做一個楔形物體，然后對著吹超音速氣流，確定激波面。

第二步，沿著激波面畫線，確立需要的乘波體前緣

第三步，確立乘波體上表面，注意，上表面要求和超音速來流平行（我在里面就畫的不夠標準）

第四步，確定乘波體上表面（畫的不標準），要求從側面選取任意一個截面，上面表面同超音速來流的角度都于楔形上表面同超音速來流的角度相同

如此，一個乘波體就完成了，什么?看起來不像?那你翻過來再看看。

掌握了這種方法，除了雙斜切的乘波體外，哪怕是曲面的乘波體也是手到擒來。

但是這樣就有一個問題，這樣的乘波體雖然設計起來簡單，但是容積太小，難以做實用的乘波體飛行器。有什么辦法嗎？有，這種乘波體我們選擇的是楔形激波，如果我們選擇圓錐形的激波呢？便有了這樣。

唯一的問題就是，對于這種乘波體，哪怕我們確定了下表面所要的激波形狀，因為激波下表面不是平面，而是一個曲面。對應的我們畫出一個乘波體下表面也很難。而上表面就比較簡單，我們從后緣的形狀出發(fā)，相前面平行延伸，直到與錐形激波相交，就能畫出乘波體前緣。如此，我們畫出的乘波體的容積也就可以更大了

結尾

如此便是目前主流固定翼飛行器升力的來源了，現(xiàn)在網(wǎng)絡上盛傳一種說法就是人類從來不知道飛機是怎么飛行的。這個是錯誤的，人類其實很清楚飛機為什么能飛，唯一不太確定的是升力到底應該怎么算比較合理，這需要我們徹底解開N—S方程，這是七個“千禧難題”（又稱世界七大數(shù)學難題）之一。目前來看解開遙遙無期，不過非得認為我們只有解開了N—S方程才算是認識到升力是怎么產(chǎn)生的。這種想法是偏還原論的，事實上，這種思想已經(jīng)被認為是不切實際的，我們不可能通過一組基本的物理法則推導出世界運行的全部規(guī)律，對于升力來說也是這樣，我們現(xiàn)在做不到解開完整的N—S方程，但是我們可以解開理想條件下的部分N—S方程，比如說把一些數(shù)據(jù)設定成理想值什么的。然后通過風洞吹風和前人總結的經(jīng)驗模型，設計出一款對于我們來說足夠用的飛機就可以了，完全了解升力的產(chǎn)生對我們來說不但效費比不高，而且也做不到。

新人渣作，文筆不好，覺得不好的，求輕噴，如有錯誤，請在評論區(qū)留言或者私信。跪求三連。我是終極側衛(wèi)35姬，我目前已經(jīng)加入星海伊束團隊，這也是我們將來會做的視頻的文字版，歡迎大家關注。

粉絲群聊:645198624

借鑒資料:https://www.zhihu.com/answer/1541523295