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航空航天技术基础
实验报告
（2012-2013年度第二学期）

专业 飞行器动力工程
课程 航空航天技术概论
班级 六一
姓名 王小东
学号 121506129
老师 马高山
时间 2103/05

引 言
1．实验总体要求
实验是本课程重要的实践性教学环节，是考核本课程学习成绩的一个组成部分。通过实验，要求学生达到：
（1）了解烟风洞和低速风洞的基本工作原理，并掌握其使用方法；
（2）基本掌握飞机的飞行原理、飞机的操纵性和稳定性；
（3）了解涡轮喷气发动机的主要结构、基本适用范围和主要性能指标；
（4）正确进行实验数据的整理、对实验结果的分析，并独立写出实验报告。
2．航空航天技术基础实验安排
分飞行原理实验和发动机构造实验两部分：
（1）飞行原理实验
（2）发动机构造实验

实验一、飞行原理实验

（一） 实验目的
1． 熟悉风洞的功用和典型构造；
2． 通过烟风洞实验观察模型的气流流动情况；
3． 通过低速风洞的吹风实验了解升力与迎角、相对速度之间的关系；
4． 通过对不同的飞机模型进行吹风实验掌握飞机的稳定性和操纵性。
（二） 实验内容
1． 观察翼型模型或飞机模型在烟风洞中的气流流动情况；
2． 观察飞机模型的迎角大小和相对速度对升力的影响规律；
3． 观察飞机模型在受到扰动失衡之后如何自动恢复到平衡状态；
4． 观察飞机模型通过操纵设备来改变飞机的哪些飞行状态。
（三） 实验设备
实验设备主要包括：直流式低速风洞、烟风洞、以及各种不同类型的飞机吹风模型教具。
如图1-1所示是烟风洞构造示意图。烟风洞也是一种低速风洞，主要用于形象地显示出环绕实验模型的气流流动的情况，使观察者可以清晰地看出模型的流线谱，或拍摄出流线谱的照片。

1-发烟器；2-管道；3-梳状管；4-实验段；5-沉淀槽；6-烟量开关；
7-烟速调整纽；8-模型迎角调整纽；9-发烟器及照明开关
图1-1 烟风洞构造示意图
烟风洞一般由风洞本体、发烟器、风扇电动机和照明设备等组成。风洞的剖面呈矩形，为闭口直流式。烟从发烟器1产生，沿管道2流向梳状管3（很多并列的细管），烟雾通过梳状管形成一条条细的流线，流线流过实验段4时，就可以观察气流流过模型时的流动情况。烟雾流过实验段后流人沉淀槽5，最后流到风洞的外面。发烟器底部装有电加热器，把注入的矿油点燃而发烟。为了看得更清楚或方便摄影，风洞实验段后壁常漆成黑色，并用管状的电灯来照明。
如图1-2所示是一种简单的直流式风洞的构造示意图。风洞的人造风是由风扇旋转式产生的，风扇由电动机带动，调整电动机的转速，可以改变风洞中气流的流速。

1-电动机；2-风扇；3-防护网；4-支架；5-模型；6-铜丝网；7-整流格；
8-天平；9-空速管；10-空速表；11-收敛段；12-实验段；13-扩散段
图1-2 直流式低速风洞
直流式低速风洞的工作过程如下：电动机1驱动风扇2转动产生人造风，人造风首先通过收敛段11，使气流收缩，速度增大。气流通过整流格，使涡流减小，并在实验段的进口处达到希望的流速，然后再以平稳的速度通过实验段12。飞机或机翼模型就放在实验段的支架4上进行实验。气流从实验段流过扩散段13，使流速降低，能量的损失减小。最后气流通过防护网3流出风洞之外。
进行风洞实验还需要一些精密的仪器设备，如测量模型上的空气动力大小的天平8、测量气流速度的空速表10和空速管9，以及温度汁、气压计和湿度计等，另外，还需要模型表面压力分布的压力计、数据采集和处理设备以及控制风洞运行的其他设备等。
（四） 实验步骤、方法及数据记录
1． 实验步骤（以直流低速风洞为例）
（1） 连上电源线（电源接头在设备背部），接通操作面板上的电源开关（按绿色按钮）；
（2） 首先转动电压调整罗盘至零位，然后打开电压和电流开关，观察电压表和电流表指示是否正常；
（3） 确认电压表和电流表正常后将需要实验的翼型模型或飞机模型放置在实验段，并固定好；
（4） 转动电压调整罗盘，逐渐提高电动机功率（功率不高于140）；
（5） 达到所要求的实验风速后，对翼型模型或飞机模型进行相应的操作，观察实验现象并记录实验结果；
（6） 将电压调整罗盘调整至零位，电压和电流开关，关闭操作面板上的电源开关（按红色按钮），关闭电源，并将翼型模型或飞机模型放回原处。
2． 实验方法
（1） 将飞机模型或翼型模型置于实验段的固定位置，调整电动机功率，使实验段气流达到预定风速。
（2） 分别测量在某几个迎角（取a=15o,20 o,25 o,30 o）时升力系数Cx、阻力系数Cy和升阻比K=Cx/Cy的大小。并将测量数据记录于下表。
迎角a
15o
20 o
25 o
30 o
升力系数Cx

阻力系数Cy

升阻比K=Cx/Cy

3． 实验数据记录
（1） 记录实验时翼型模型或飞机模型的迎角的角度；
（2） 记录实验时电动机功率的大小和气流的流速；
（3） 记录实验现象或实验结果。
（五） 思考题
1． 风洞实验有何作用？
答：依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据，研究飞机的气动性能，追求更好的气动效果。这是现代飞机、导弹火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。简单的说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。

2． 影响飞机升力的因素有哪些？
答：影响飞机升力的因素主要有四个方面：
（1） 机翼面积的影响
飞机的升力主要由机翼产生，而机翼的升力又是由于机翼上下翼面的压强差产生的，因此，压强差所作用的机翼面越大，则产生的升力也就越大。（机翼面包括同机翼项链的那部分机身面积。
（2） 相对速度的影响
升力与相对速度的平方成正比
（3） 空气密度的影响
升力的大小和空气密度成正比，密度越大，则升力也就越大，当空气很稀薄时，机翼产生的升力也就很小了
（4） 机翼剖面形状和迎角
不同的剖面和不同的迎角，会使机翼周围的气流流动状态（包括流速和压强）等发生变化
3． 什么是飞机的稳定性？飞机包括哪几个方向上的稳定性？
答：所谓飞机的稳定性，是指在飞行过程中，如果飞机受到某种扰动而偏离原来的平衡状态，在扰动消失以后，不经飞行员的操纵，飞机就能够自动恢复原来的平衡状态的特性。 飞机飞行时的稳定性可分为纵向稳定性、方向稳定性、横向稳定性。
4． 什么是飞机的操纵性？驾驶员如何操纵飞机的俯仰、偏航和滚转运动？
答：飞机的操纵性是指驾驶员通过操纵设备（如驾驶杆、脚蹬、和气动舵面等）来改变飞机飞行状态的能力。 飞机在飞行过程中，操纵升降陀，飞机就会绕着横轴转动，产生俯仰运动。飞行员向后拉驾驶杆，经传动机构传动，升降陀便会向上偏转，这时，水平尾翼上的向下附加胜利就产生使飞机抬头的力矩，使机头上仰。向前推驾驶杆，则升降陀向下偏转，使机头下俯。操纵方向托，飞机则绕立轴转动，产生偏航运动，飞行员向前蹬左脚蹬，方向陀向左偏转，在垂直尾翼上产生向右的附加侧力，此时使飞机产生向左的偏航力矩，使机头向左偏航，向前蹬右脚蹬，飞机产生更向右偏航的力矩，使机头向右偏航。操纵副翼，飞机便会绕着纵轴转动，产生滚转运动。向左压驾驶杆，左副翼向上偏转，右副翼向上下偏转，这时左机翼升力减小，右机翼升力增大，则产生做滚得滚动力矩，使飞机向左倾斜：向右压驾驶杆，则右副翼向上偏转，左副翼向下偏转，产生向右滚转的滚动力矩，飞机向右倾斜。
六、实验收获（心得体会）
通过本次飞行原理实验，让我熟悉了风洞的功用和典型构造，认识到风洞试验在航空航天领域的重要性，它为飞机，火箭等飞行器的飞行有了更可靠的数据，增加航空航天的安全性；
实验二、发动机构造实验
（一）实验目的
1． 熟悉航空发动机的功用和典型构造；
2． 通过实验掌握燃气涡轮发动机各个部件的组成、功用。
（二）实验内容
观察燃气涡轮发动机各个部件的组成，并了解和分析各部分的功用。
（三）实验设备
实验设备主要包括：活塞式航空发动机、涡喷六燃气涡轮发动机。
如图2-1所示是活塞式航空发动机示意图。活塞式航空发动机是一种燃烧汽油的往复式内燃机，可带动螺旋桨高速转动而产生推力，主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、进气活门和排气活门等组成。气缸是发动机的工作腔，油气混合气体在气缸内燃烧，产生高温高压燃气推动活塞作直线运动，并带动曲轴旋转。活塞用于承受油气混合气体在燃烧时所产生的燃气压力，并将燃料燃烧后的内能转变为活塞运动的机械能。连杆将活塞和曲轴连接在一起，用于传递活塞和曲轴之间的运动。曲轴将活塞的往复运动变成自身的旋转运动，并带动螺旋桨转动，使发动机产生推力。

图2-1 活塞式航空发动机结构示意图
如图2-2所示为涡轮喷气发动机结构示意图。涡轮喷气发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等部件组成。涡轮喷气发动机的工作过程如下：空气首先由进气道进入发动机，空气流速降低，压力升高。当气流经过压气机后，空气压力可提高几倍甚至数十倍（可高达30倍以上）。具有较高压力的空气进入燃烧室，与从喷嘴喷出的燃料充分混合，经点火后燃烧，燃料的化学能转换为内能。此后，燃烧产生的高温高压气体驱动涡轮工作，高速旋转的涡轮产生机械能，带动压气机和其他附件工作。涡轮出口燃气直接在喷管中膨胀，使燃气可用能量转变为高速喷流的动能而产生反作用力。

图2-2 涡轮喷气发动机结构示意图
（四）实验方法
实验时采用老师讲述、学生提问、老师和学生交流讨论的方式进行。
（五）思考题
1. 进气道的作用是什么？
答：进气道是发动机的进气通道，它的主要作用是整理进入发动机的气流，消除漩涡，保证在各种工作状态下都能供给发动机所需要的空气量。尤其是在高速飞行的情况下，要通过进气道将高速气流的速度逐渐降下来，尽量将气流的动能转化变为压力势能，然后压入压气机，保证压气机有良好的工作条件。
2. 试述轴流式压气机的主要组成和它的增压原理。
答：轴流式压气机由静子和转子两部分组成，增压原理：伯努利方程，气体从进口流入压气机，经收缩器时流速得到初步提高，进口导向叶片使气流改为轴向，同时还起扩压管的作用，使压力有所提高。压气机转子叶片和静子叶片的剖面形状都和机翼的剖面形状相似，相邻叶片所构成的通道时进口小出口大的扩散形，在外力作用下作高速转动，固装在转子上的动叶片推动气流，使气流获得很高的流速。高速气流进入导叶，气流动能降低而压力升高，相邻导叶叶片间的通道相当于一个扩压管。气体流经每一级连续进行类似的过程，使气体压力逐渐升高。
3. 试述喷气发动机燃烧室的主要组成及各部分的功用。
答：燃烧室主要由火焰筒、喷嘴、涡流器和燃烧室外套组成。火焰筒的主要作用是将从压气机出来的高压空气中小股气流与燃料混合燃烧；喷嘴的主要作用是提高燃料的雾化质量，以便使燃料与空气充分混合；涡流器的主要作用是是空气产生漩涡，一遍与燃料混合均匀，并在适当部位形成火源，燃烧室中的气流速度很高，要完成高速中可靠点火，需要依靠涡流器。
4. 涡轮的作用是什么？
答：涡轮的功用是将燃烧室出口的高温、高压气体的能量转变为机械能。燃气从烧室流出后，冲击涡轮使其高速旋转产生机械能。涡轮的机械能以轴功率的形式输出，驱动压气机、风扇、螺旋桨和其他附件转动。燃气经过涡轮后，温度和压力骤然下降，速度渐增。从我轮流出的燃气刘翔尾喷管，由尾喷管喷出产生推力。
5. 加力燃烧室的作用是什么？为什么加力燃烧室不宜长时间工作？
答：为了使飞机获得更大的发动机推力。由于加力燃烧室燃油消耗率很大，温度也很高，因此只能短时间使用。
6. 尾喷管的形式有哪些？什么时候采用收敛—扩散形喷管？
答：尾喷管管形式：简单收敛式尾喷管、拉瓦尔喷管、收敛-扩散式引喷管。
当需要提高发动机的工作效率，活的更大的推力时采用收敛-扩散形尾喷管。
（六）实验结论或实验收获（心得体会）。
通过本次试验，使我们学到和进一步掌握了涡轮发动机的构造及其原理，以及工作时各个组成部分的功能和作用，是我对飞机发动机的研究产生更加浓厚的兴趣，期待着实习与工作实践。

郑州航院航空工程系制