誘導阻力

機翼上除了產生摩擦阻力和壓差阻力以外，由於升力的產生，還要產生一種附加的阻力。這種由於產生升力而誘導出來的附加阻力稱為誘導阻力。可以說，誘導阻力是為產生升力而付出的一種“代價”。

基本介紹

• 中文名：誘導阻力
• 外文名：induced drag
• 別稱：感應阻力
• 提出者：Munk 
• 提出時間：20世紀20年代 
• 套用學科：航空宇航科學與技術
• 適用領域範圍：飛機
• 適用領域範圍：飛機
• 定義：產生升力而誘導出來的附加阻力
• 使用範圍：機翼
• 分類：力學

物理簡介

機翼同一般物體相似，也有摩擦阻力和壓差阻力。對於機翼而言，這二者合稱“翼型阻力”。機翼上除翼型阻力外，還有“誘導阻力”（又叫“感應阻力”）。這是機翼所獨有的一種阻力。因為這種阻力是伴隨著機翼上升力的產生而產生的。升力的產生來源於機翼上、下表面的壓強差，即下表面的壓強大於上表面。翼尖附近的氣流在壓差的作用下會由下向上繞，這樣既減小了升力，又產生了阻力，這就是誘導阻力。因此可以說它是為了產生升力而付出的一種代價。

產生因素

當機翼產生升力時，機翼下表面的壓力比上表面的大,而機翼翼展長度又是有限的，所以下翼面的高壓氣流會繞過兩端翼尖,向上翼面的低壓區流去。當氣流繞過翼尖時,在翼尖部分形成旋渦,這種旋渦的不斷產生而又不斷地向後流去即形成了所謂翼尖渦流。

翼尖渦流使流過機翼的空氣產生下洗速度,而向下傾斜形成下洗流。氣流方向向下傾斜的角度,叫下洗角。

由翼尖渦流產生的下洗速度,在兩翼尖處最大,向中心逐漸減少,在中心處最小。這是因為空氣有粘性,翼尖旋渦會帶動它周圍的空氣一起旋轉,越靠內圈,旋轉越快,越靠外圈,旋轉越慢。因此離翼尖越遠,氣流下洗速度越小。

氣流流過機翼後下折一個角度

圖示的就是某一個翼剖面上的下洗速度。它與原來相對速度v組成了合速度u 。u與v的夾角就是下洗角a1。下洗角使得原來的沖角a減小了。根據舉力Y原來的函義，它應與相對速度v垂直，可是氣流流過機翼以後，由於下洗速w的作用，使v的方向改變，向下轉折一個下洗角a1，而成為u。因此，升力Y也應當偏轉一角度a1，而與u垂直成為y1。此處下洗角很小，因而y與y1一般可看成相等。回這時飛機仍沿原來v的方向前進。y1既不同原來的速度v垂直，必然在其上有一投影為Q；。它的方向與飛機飛行方向相反，所起的作用是阻攔飛機的前進。實際上是一種阻力。這種阻力是由升力的誘導而產生的，因此叫做“誘導阻力”。它是由於氣流下洗使原來的升力偏轉而引起的附加阻力，並不包含在翼型阻力之內。

相關資料

在日常生活中,也可觀察到翼尖渦流的現象。例如大雁南飛,常排成人字或斜一字形,領隊的大雁排在中間,而幼弱的小雁常排在外側。這樣使得後雁處於前雁翅梢處所產生的翼尖渦流之中。翼尖渦流中氣流的放置是有規律的,靠翼尖內側面,氣流向下,靠翼尖外側,氣流是向上的即上升氣流。這樣後雁就處在前雁翼尖渦流的上升氣流之中,有利於長途飛行。

實驗驗證

從實驗也可看出翼尖渦流的存在。當機翼產生正升力時,由於機翼下表面的壓力比上表面的大,故空氣從下翼面繞過翼尖翻到上翼面。因而處在兩翼尖處的兩個葉輪都放置起來,在左翼尖的向右放置(從機尾向機頭看),在右翼尖的向左放置。升力增大,上下翼表面壓力差增大,葉輪放置得更快。升力為零,上下翼面無壓力差,葉輪不轉動。若機翼產生負升力,則上翼面的壓力比下翼面大,故兩葉輪就會反轉。　飛行中,有時從飛機翼尖的凝結雲也可看到翼尖渦流。因為翼尖渦流的範圍內壓力很低,如果空氣中所含水蒸汽膨脹冷卻而凝結成水珠,便會看到由翼尖向後的兩道白霧狀的渦流索。

機翼氣流的運動方式

升力是和相對氣流方向垂直的。既然流過機翼的空氣因受機翼的作用而向下傾斜,則機翼的升力也應隨之向後傾斜。實際升力是和洗流方向垂直的。把實際升力分解成垂直於飛行速度方向和平等於飛行速度方向的兩個分力。垂直於飛行速度方向的分力,仍起著升力的作用,這就是我們經常使用的升力。平行於飛行速度方向的分力,則起著阻礙飛機前進的作用,成為一部份附加阻力。而這一部分附加阻力,是同升力的存在分不開的,因此這一部分附加阻力稱為誘導阻力。

實踐表明,誘導阻力的大小與機翼的升力和展弦比有很大關係。升力越大,誘導阻力越大。展弦比越大,誘導阻力越小。

發展簡史

誘導阻力是飛機產生的阻力中的一部分。早在20世紀20年代,Mur火等人對翼型的誘導阻力進行了理論研究。20世紀50年代,Robert等人基於Mukn理論研究了在給定機翼上升力和彎曲力矩的情況誘導阻力與機翼沿展向升力分布之間的關係。隨著主動控制技術以及感測器、舵機技術的發展，以美國發起的主動氣動彈性機翼(AAW)工程和歐洲各國聯合發起的主動氣動彈性飛機結構(3AS)充分利用結構的彈性效應，通過智慧型結構、主動控制技術提高機翼的操縱效率、改變機翼的載荷分布、減小誘導阻力等，從而極大地提高飛機的整體性能。又由於誘導阻力對於商用運輸機以及長航時無人機具有非常重要的影響，因此，減小誘導阻力的實驗以及理論方法研究成為研究的熱點。

套用領域

誘導阻力是阻力中的一部分，在有動力飛行初期就引起了航空界的關注，隨著主動控制技術以及感測器、舵機技術的發展，美國主動氣動彈性機翼(AAW)工程和歐洲主動氣動彈性飛機結構計畫(3AS)充分利用結構的彈性效應，通過智慧型結構、主動控制技術提高機翼的操縱效率、改變機翼的載荷分布、減小誘導阻力等，從而極大地提高飛機的整體性能。

減小誘導阻力對高空長航時無人機以及大型飛機具有重要意義。誘導阻力在巡航時約占總阻力的 40%，在爬升時會占總阻力的一半還多，有時達70%；根據 Breguet 關係式，誘導阻力的減小可以提高升阻比，降低燃油消耗率，減少飛機的質量，從而增加飛機的航程，降低飛行成本。因此，降低誘導阻力為大型飛機研製的關鍵技術。最近，美國猶他州立大學的 Phillips 採用展向環量控制減小誘導阻力，並已取得相關專利。