近日，“波音737MAX8五個月內(nèi)兩起空難”刷爆了各大媒體頭條及小伙伴們的朋友圈气破，這款波音史上最暢銷系列累計訂單超5000架济锄，至此跌落神壇暑椰，遭遇前所未有的信任危機(jī)。目前荐绝，中國一汽、印尼、新加坡低滩、埃塞俄比亞等數(shù)個國家已禁止波音737 MAX商業(yè)飛行召夹，就連美國佬也迫于輿論壓力停飛了波音737 MAX8和737 MAX9兩款機(jī)型。

圖 1波音737MAX8

兩起空難都爆發(fā)于起飛階段恕沫，事故原因均指向737MAX新增的MCAS（自動防失速系統(tǒng)）监憎。美國聯(lián)邦航空管理局評估認(rèn)為：波音737 MAX機(jī)型新增的MCAS系統(tǒng)，在迎角傳感器讀數(shù)錯誤的情況下婶溯，會不斷迫使飛機(jī)低頭鲸阔。而且訓(xùn)練模擬器中沒有這一新系統(tǒng)偷霉，當(dāng)實際飛行中出現(xiàn)該問題時，飛機(jī)面臨快速失控危險隶债，可能讓飛行員陷入短時迷惑或失措的境地腾它。

空難已發(fā)生，大家感到惋惜的同時對事故原因均頗為重視死讹，這項復(fù)雜的工程就交給專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行吧瞒滴，我可不敢班門弄斧。我感興趣的是航空飛行背后蘊(yùn)藏的空氣動力學(xué)奧秘赞警，在此與大家分享下妓忍。

一、?飛機(jī)升力是如何產(chǎn)生的愧旦？

關(guān)于飛機(jī)機(jī)翼如何產(chǎn)生升力有眾多有趣的說法世剖，比較著名的有“長路徑、等時性”理論笤虫，“滑石”理論旁瘫，“文丘里”理論等。這些理論之所以流傳廣琼蚯，主要是因為它們在某些方面是正確的酬凳。比如流傳最廣的“長路徑、等時性”理論遭庶，它認(rèn)為機(jī)翼被設(shè)計為上表面長宁仔，下表面短，氣流從機(jī)翼前緣分開同時到達(dá)尾緣峦睡，?因此斷定上表面速度高于下表面翎苫，根據(jù)伯努利方程，速度高則壓力小榨了，下表面壓力高于上表面煎谍，壓差產(chǎn)生升力。

圖 2?“長路徑龙屉、等時性”理論

首先粱快，機(jī)翼并不總是上表面長于下表面，紙飛機(jī)的翅膀是一個平板叔扼，也可以產(chǎn)生升力笆驴蕖；其次瓜富，氣流從前緣分開同時到達(dá)尾緣則令人百思不得其解鳍咱；下表面壓力高于上表面倒是正確的，但這個壓差產(chǎn)生的升力要比實際的升力小很多与柑。實際上谤辜，飛機(jī)上表面氣流速度遠(yuǎn)高于下表面蓄坏，壓力云圖應(yīng)該是這樣的。

圖 3?機(jī)翼壓力云圖示意圖

關(guān)于升力如何產(chǎn)生丑念，還是引用權(quán)威的定理解釋比較靠譜：

1涡戳、庫塔-儒可夫斯基升力環(huán)量定理：對于定常、理想脯倚、不可壓流動渔彰，在有勢力作用下，直均流繞過任意截面形狀的有環(huán)量繞流推正，翼型所受的升力為：

該定理說明恍涂，在來流繞流作用下，不管物體形狀如何植榕，只要環(huán)量值不為0再沧，繞流物體就會產(chǎn)生升力，否則升力為0尊残。足球比賽中的“香蕉球”炒瘸，足球依靠自身旋轉(zhuǎn)獲得環(huán)量，環(huán)量越大升力越大寝衫。但機(jī)翼的環(huán)量是如何產(chǎn)生的呢顷扩？這就涉及到了定理2.

圖4?香蕉球示意圖

2、亥姆霍茲旋渦守恒定理：在理想竞端、不可壓、體積力有勢條件下：

① 原來無旋的流體微團(tuán)將保持無旋庙睡，有旋的流體微團(tuán)將永遠(yuǎn)有旋事富；

② 繞相同流體質(zhì)點(diǎn)組成的封閉周線上的速度環(huán)量不隨時間變化。

機(jī)翼都是從靜止?fàn)顟B(tài)開始開始加速運(yùn)動到定常狀態(tài)乘陪，根據(jù)旋渦守恒定律统台，翼型引起氣流運(yùn)動的速度環(huán)量應(yīng)與靜止?fàn)顟B(tài)一樣處處為零，則繞翼型的速度環(huán)量是如何產(chǎn)生的呢啡邑？下面從飛機(jī)啟動過程分階段闡述：

a贱勃、機(jī)翼處于靜止?fàn)顟B(tài)，繞機(jī)翼的流體線的速度環(huán)量為零

圖 5a 靜止?fàn)顟B(tài)

b谤逼、當(dāng)翼型在剛開始啟動時贵扰，因粘性邊界層尚未在翼面上形成，繞翼型的速度環(huán)量為零流部，機(jī)翼上下部的氣流的速度是一樣的戚绕。導(dǎo)致下方氣流到達(dá)后緣點(diǎn)時上方氣流還沒到后緣，后駐點(diǎn)位于翼型上方某點(diǎn)枝冀，下方氣流就必定要繞過尖后緣與上方氣流匯合舞丛。隨時間的發(fā)展耘子，翼面上邊界層形成，下翼面氣流繞過后緣時將形成很大的速度球切，壓力很低谷誓，后緣點(diǎn)到后駐點(diǎn)存在大的逆壓梯度，造成邊界層分離吨凑，從產(chǎn)生一個逆時針的環(huán)量窝撵，稱為起動渦夭禽。

圖5b 起動渦形成

c、起動渦離開翼緣隨氣流流向下游，封閉流體線也隨氣流運(yùn)動群叶，但始終包圍翼型和起動渦，根據(jù)渦量保持定律溉知，必然繞翼型存在一個順時針的速度環(huán)量圣蝎，使得繞封閉流體線的總環(huán)量為零，這將導(dǎo)致翼型后駐點(diǎn)的位置向后移動痕届。只要后駐點(diǎn)尚未移動到后緣點(diǎn)韧献，翼型后緣不斷有逆時針旋渦脫落，因而繞翼型的環(huán)量不斷增大研叫，直到氣流從后緣點(diǎn)平滑流出（后駐點(diǎn)移到后緣為止）為止锤窑。

圖5c 繞翼型環(huán)量形成

至此，繞機(jī)翼流動的環(huán)量產(chǎn)生嚷炉，根據(jù)庫塔-儒可夫斯基升力環(huán)量定理可計算升力大小渊啰。

?圖 6a 飛機(jī)起動渦系結(jié)構(gòu)1

圖 6b 飛機(jī)渦系結(jié)構(gòu)2

二、?升力與迎角是什么關(guān)系申屹？

迎角α表示來流V∞與翼弦線的夾角绘证，對機(jī)翼升力有重要影響。不同的飛行迎角哗讥，空氣繞流的狀態(tài)不同嚷那。

圖 7?迎角及受力示意圖

總體流動特點(diǎn)是：

1）?低迎角狀態(tài)時，整體繞翼型的流動是無分離的附著流動杆煞，翼型表面的邊界層和后緣的尾跡區(qū)很薄魏宽。

2）?前駐點(diǎn)位于下翼面距離前緣點(diǎn)不遠(yuǎn)處。氣流經(jīng)前緣駐點(diǎn)后决乎，一部分繞過前緣點(diǎn)經(jīng)上翼面順壁面流去队询，另一部分從駐點(diǎn)經(jīng)下翼面順壁面流去，在后緣處流動平滑地匯合构诚；

3）?氣流在上翼面的流動是先加速后減速娘摔，壓力為先減小后增加，存在逆壓梯度區(qū)唤反，會導(dǎo)致邊界層局部分離凳寺；

4）?隨著迎角增加鸭津，駐點(diǎn)逐漸后移，最大速度點(diǎn)就越靠近前緣肠缨，最大速度值也越大逆趋，上下翼面壓差越大，升力增大晒奕；

5）?當(dāng)迎角大過一定值后闻书，上翼面呈現(xiàn)較大分離區(qū)，升力開始下降脑慧，這一現(xiàn)象稱為翼型失速魄眉。? ? ? ?

圖 8?繞流示意圖

機(jī)翼一但發(fā)生翼型失速，升力迅速下降闷袒，飛機(jī)面臨失控風(fēng)險坑律，這也是波音737MAX系列新增MCAS（自動防失速系統(tǒng)）的意義所在，可以自動調(diào)節(jié)飛機(jī)安定面囊骤，產(chǎn)生俯仰力矩晃择，迫使飛機(jī)低頭以退出失速狀態(tài)。不過一旦迎角傳感器故障也物，在較小迎角下啟動該系統(tǒng)宫屠，將導(dǎo)致災(zāi)難性結(jié)果。

?圖 9?升力系數(shù)曲線

三滑蚯、推力是如何產(chǎn)生浪蹂？

飛機(jī)要獲得足夠的升力，必須具有足夠的速度告材，這就需要較大的推力坤次。在此不得不提飛機(jī)的動力裝置——航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。作為制造業(yè)皇冠上的明珠创葡，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)是將傳統(tǒng)經(jīng)典力學(xué)逼近極限的一門技術(shù)浙踢，一個國家的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)技術(shù)水平是綜合國力的體現(xiàn)绢慢，目前僅有美國灿渴、英國、俄國胰舆、法國骚露、中國具有發(fā)動機(jī)研發(fā)能力。

圖 10?B787和GEnx發(fā)動機(jī)

發(fā)動機(jī)是如何產(chǎn)生推力的呢缚窿，這就要從發(fā)動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)說起棘幸。最常見的渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示倦零，最核心結(jié)構(gòu)為壓氣機(jī)误续、燃燒室和渦輪吨悍。氣流經(jīng)過壓氣機(jī)增壓，在燃燒室中加熱蹋嵌，在渦輪中膨脹做功帶動壓氣機(jī)育瓜，最后經(jīng)尾噴管膨脹加速排出體外。

圖11a 渦噴發(fā)動機(jī)示意圖

圖 11b 渦扇發(fā)動機(jī)示意圖

發(fā)動機(jī)既是熱機(jī)栽烂，又是推進(jìn)器躏仇。作為熱機(jī)，發(fā)動機(jī)通過燃燒室對氣流高溫加熱腺办，化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能焰手，進(jìn)而帶動葉輪機(jī)械做功。作為推進(jìn)器怀喉，發(fā)動機(jī)使通過的氣流高速排出书妻，從而產(chǎn)生反作用推力。發(fā)動機(jī)的具體推力可根據(jù)下圖推導(dǎo)：

?圖 12?發(fā)動機(jī)推力推導(dǎo)示意圖

選取發(fā)動機(jī)內(nèi)表面為控制體磺送，進(jìn)口速度為V0驻子，流量為qm，壓力為P0估灿，出口速度為V9崇呵，流量為qmg（考慮了燃燒室噴油的附加流量），壓力為P9馅袁，面積為A9域慷，發(fā)動機(jī)對控制體水平方向力為Fin（與氣流對發(fā)動機(jī)的推力F是一對作用力和反作用力），根據(jù)動量守恒定理汗销，控制體所受的外力等于流出流入控制體的動量差犹褒。即：

這是從總體的作用效果評估推力。氣流流過發(fā)動機(jī)的每一個子部件弛针，哪一個部件的受力是向前的叠骑，哪一個部件的受力是向后的呢，這主要與氣流流過子部件時的壓力變化有關(guān)削茁。首先是壓氣機(jī)宙枷，氣流經(jīng)過壓氣機(jī)后被強(qiáng)烈壓縮，壓力明顯增高茧跋，在巨大的壓差力作用下壓氣機(jī)受到巨大的向前的作用力慰丛。而氣流經(jīng)過燃燒室，溫度明顯增加但壓力增加有限瘾杭，所以燃燒室所受的向前的力有限诅病。當(dāng)氣流經(jīng)過渦輪和尾噴管時，氣流膨脹加速，壓力降低贤笆，氣流對渦輪和尾噴管的作用力是向后的蝇棉。

圖 13?發(fā)動機(jī)子部件受力示意圖

氣流流過壓氣機(jī)時，發(fā)生了哪些流動現(xiàn)象呢芥永？為什么壓力會增加呢银萍？這與壓氣機(jī)葉片的形狀有關(guān)。對于亞聲速流動恤左，葉片通道一般設(shè)計成擴(kuò)張的贴唇，氣流通過擴(kuò)張通道減速增壓。然后對于超聲速流動飞袋，葉片通道基本為等值的戳气，氣流流向基本不變，其增壓主要靠葉片前緣的一道強(qiáng)激波來實現(xiàn)巧鸭，氣流通過激波瞬間被強(qiáng)烈壓縮瓶您，壓力增加。??

圖 14?壓氣機(jī)葉柵流動示意圖

圖 15?多排壓氣機(jī)速度云圖

壓氣機(jī)內(nèi)的真實流動特別復(fù)雜纲仍。葉片吸力面在逆壓梯度作用下的分離呀袱，激波附面層的干擾，環(huán)壁附面層和葉型附面層的相互作用郑叠，間隙渦以及通道渦的二次流動夜赵，旋轉(zhuǎn)失速以及喘振等現(xiàn)象，使得壓氣機(jī)的設(shè)計成為發(fā)動機(jī)最難設(shè)計的部件乡革。

圖 16?壓氣機(jī)流動示意圖

四寇僧、?空難為何總在起飛和降落階段發(fā)生？

圖 17?空難統(tǒng)計示意圖

據(jù)統(tǒng)計沸版，約60%的飛機(jī)事故均發(fā)生在起飛或降落階段嘁傀。這是為何？

1）?大氣條件決定的

地球表面最近一層大氣為對流層视粮，平均厚度為12km细办，常見的天氣現(xiàn)象如風(fēng)、雨蕾殴、雷笑撞、電等均發(fā)生在此層。在對流層上面為平流層区宇，空氣特別穩(wěn)定娃殖，不易產(chǎn)生對流值戳，大氣運(yùn)動多是水平议谷。而飛機(jī)在起飛和降落階段處于對流層，天氣條件較為惡劣堕虹。

2）?起飛或降落時卧晓，動力和高度有限芬首，反應(yīng)時間短

民航領(lǐng)域存在一個說法叫做“危險11分鐘”。指的就是起飛3分鐘和降落8分鐘逼裆，這是最容易發(fā)生事故的時間點(diǎn)郁稍。原因就是該階段飛行員需要處理各種突發(fā)情況，并時刻關(guān)注飛機(jī)航向和高度胜宇，不能出現(xiàn)一點(diǎn)偏差耀怜。因此，對于飛行員桐愉，每一次起飛和降落都是一次巨大的考驗财破。

3）?鳥撞

低空域原本就是鳥兒活動最為頻繁的空域，鳥擊成為飛行安全的一大隱患从诲。

?圖 18?鳥撞發(fā)動機(jī)事故

作者：李振鵬?仿真秀科普作者左痢，擅長流體與傳熱分析；振動噪聲仿真與測試技術(shù)

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