2008年7月13日 星期日

攻角(Angle of attack)與失速

什麼是攻角?

若是用一句話來解釋的話,攻角就是機身縱軸跟移動方向的夾角,就叫做攻角,也可解釋成,機翼方向跟空氣流向的夾角就是攻角。

(註:縱軸也就是從機鼻到機尾的中心軸線 (物體最長距離部分的中心軸) 若是以人來說,即是頭到腳的中心軸,你若做縱軸旋轉的話,也就是左右旋轉的動作,而飛機做縱軸旋轉則是 roll 的動作)


或許有人看到這裡會感到很迷惑的問:'機身縱軸跟移動方向不是該一樣的嗎?''機翼方向跟空氣流向不也是該總是成平行的嗎?'


這點,在理論上來說是對的,但在現實上來說,這是不對的。理論上來說,空氣的流向該總是跟行進方向成平行的,但實際上,因為物體有慣性,當你的行進方向改變時,機體並不會立即就朝那方向行進,卻會受到慣性的影響而慢慢矯正方向。


舉最簡單的例子來說,現實中,開車在轉彎時,並不會因為你一打方向盤,車子行進的方向就立刻改變成平行於輪胎的方向....


(也就是說, 可能你明明輪胎已經轉向右方了, 可是因為慣性影響, 其實你現在的行進方向卻還是朝向原來方向)


尤其若是高速急轉時,更有可能造成車子打滑,或打轉的情形產生。飛機的狀態也是如此。當你拉桿從平飛到爬升時,飛機並不會馬上就朝向你所設定的新角度來行進,而是成弧線般的慢慢改變其行進方向。
(註: 所以飛機飛行的動作,與其稱呼叫飛,可以更嚴格的稱呼叫''可以控制的飄浮'')


這點可看下圖的說明:

由上圖可知空氣的流向跟飛行路徑是成一正切(tangent)的直線,但飛機機身的縱軸卻不一定跟飛行路線成正切的關係,而這兩者間的夾角, 我們就稱謂攻角, 也就是圖上AOA的部分


..為何我們要在意攻角呢?


這是因為攻角對於浮力會有很大的影響,當攻角增加時,因為機體縱軸的角度上仰,所以相對的氣流從機翼上方通過路徑的距離會因此而增加,在上一章我們曾提到過,當機翼上方的距離變長時,壓力減小,而浮力增加。


但攻角增加浮力並不會不斷的跟著增加!!!相反的,當攻角過分大時浮力會因此減小!!


也就是說,當攻角大到某一限度時,氣流將再也無法順利的流過機翼的上下面,相反的,氣流將直接打在機翼的表面,且在氣流後方(downstream)造成分離(separation)及混亂 (turbulent flow)的現象。


在流體力學的理論中,

1.當氣流分離時,外部的氣體有著較高的速率,但在內部的氣體卻有著較低的速率。
2.且當氣流由安定(steady)變為混亂(turbulent)時,氣流行進的方向會變的不定。


這兩點請看下面的圖解

(以上圖片取自於 Jane's Fighters Anthology user manual)


圖上可清楚的看到位在機翼上方的氣流是雜亂且方向不定的,這些方向混亂的氣體的速率會比外部安定的氣流要來的低, 再加上其方向不定力量相互抵銷。所以這部分(也就是機翼上方)的壓力反而會變大 (因為速度低, 但反方向的氣流流速反而快),而造成浮力急速下降。

在這狀況下,飛機因為失去浮力,無法再有力量跟地心引力抗衡---而會像石頭一般的掉落,這種現象,就是所謂的失速。

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