飞机的升力教学课件

飞机的升力教学课件年最新航空教材2025适合初中、高中及入门航空工程学习目录飞行基础了解飞机结构与飞行四力升力原理探索伯努利原理与升力产生过程空气动力与翼型分析翼型种类与空气动力学特性升力影响因素与应用研究影响升力的关键要素与实际应用总结与测试巩固知识与学习评估飞行基础飞行简介飞机能否飞行依赖于严格的物理原理，这不是偶然而是科学的必然结果在现代航空工业中，商用客机的起飞速度通常需要达到约公里小时才能产生足够的升力克230-290/服重力飞机机翼的总面积直接影响可产生的升力大小，这也是为什么不同用途的飞机机翼设计差异巨大大型客机需要更大的翼面面积以支持更重的载荷飞机的主要结构机翼机身机翼是产生升力的主要部件，其特殊的空机身承载驾驶舱、乘客舱和货物舱，是飞气动力学设计使飞机能够克服重力升空机的核心结构它的设计需要兼顾强度、机翼的形状、面积和翼型直接决定了飞机重量和空气动力学性能的升力性能尾翼与起落架尾翼提供稳定性和控制，起落架支持飞机起飞和着陆这些部件虽小但对飞行安全至关重要为什么飞机能飞起来？飞机能够飞行是因为在空中存在着一系列力的平衡升力克服重力机翼产生的向上力量必须等于或大于飞机的重量•推力驱动飞机前行发动机产生的前向力使飞机保持必要的速度•阻力影响飞行效率空气阻力会减缓飞机速度，需要通过设计优化减小•只有当这些力达到适当平衡时，飞机才能安全平稳地飞行飞行四力简介升力重力垂直向上作用于飞机的力，由机翼与空气相互作用产生与重力方向相反，大小垂直向下作用于飞机的力，等于飞机质量与重力加速度的乘积这是飞机必须克必须等于或超过重力才能使飞机保持高度或上升服的自然力推力阻力水平向前作用于飞机的力，由发动机产生推动飞机前进，并通过速度维持足够水平向后作用于飞机的力，来源于空气阻力与推力方向相反，通过空气动力学的升力设计优化减小飞机升力的定义升力是垂直于来流方向的空气动力，是使飞机能够克服重力飞行的关键力量物理上，它是空气流过机翼时产生的压力差导致的结果只有当升力大于或等于飞机的总重量时，飞机才能维持高度或上升这就是为什么飞机起飞前必须达到一定的速度，以确保产生足够的升力机翼周围的气流线与压力分布示意图升力的单位国际单位牛顿（）工程中常用单位千克力（）N kgf在国际单位制中，升力以牛顿为单位一牛顿定义为使质量为在航空工程实践中，有时也使用千克力作为升力单位一千克力等SI N1kgf千克的物体获得米秒加速度所需的力于标准重力加速度下千克质量物体的重力1/²1例大型客机起飞时的升力可达数百万牛顿换算关系1kgf≈

9.8N飞行中常见术语迎角翼型机翼弦线与相对气流方向之间的夹角机翼的横截面形状，是决定空气动力迎角直接影响升力大小，但过大的迎学性能的关键因素不同用途的飞机角会导致失速采用不同的翼型设计商用客机巡航时的典型迎角为°常见翼型包括系列、超临界翼2-NACA°，起飞时可达°°型等58-15空气动力学研究物体在空气中运动时受到的力和产生的效应的科学，是飞机设计的理论基础包括升力、阻力、压力分布、边界层等关键概念飞行基础小结物理原理力的平衡飞行依赖于空气动力学基本原理，包括伯努利升力与重力、推力与阻力的平衡是飞行的核心原理和牛顿运动定律速度因素机翼形状飞行速度与升力成二次方关系，是保持飞行的机翼的翼型设计至关重要，直接决定了升力生关键条件成效率升力原理核心概念升力的产生是航空科学的核心，理解这一现象需要深入探索流体力学原理升力来源于空气压力差当气流经过适当设计的机翼时，会在机翼上下表面形成压力差机翼上表面压力低于下表面，这种压力差乘以机翼面积就产生了向上的升力这种压力差形成的原因可以通过伯努利原理和气流动量变化两种角度来理解，这也是接下来我们将深入探讨的内容伯努利原理简介伯努利原理是理解升力产生的关键理论，它揭示了流体速度与压力的关系流体速度越大，其压强越小•机翼上表面气流速度大于下表面•因此，机翼上表面气压小于下表面•这一压力差乘以机翼面积就产生了足够克服飞机重量的升力伯努利原理解释了为什么机翼需要特殊的弧形设计这种形状能够加速上表面气流，从-而形成必要的压力差伯努利方程伯努利方程描述了理想流体在流动过程中能量守恒的数学表达式其中是流体压强•P是流体密度•ρ是流体速度•v是重力加速度•g是高度•h在机翼周围，由于气流速度的变化，上下表面会形成压力差，这种压力差产生了升力当流体速度增加时，压强相应减小，这就是为什么机翼上表面压力低于下表面翼型与升力翼型是机翼的横截面形状，其设计直接影响升力生成效率理想的翼型通常上凸下平，这种形状有利于加速上表面气流，形成更大的压力差典型客机翼厚占翼弦比例•12%-18%上表面曲率大于下表面•最大厚度位置通常在前缘后处•30%-40%不同的飞行需求需要不同的翼型设计高速飞行的飞机需要更薄的翼型，而低速飞行则需要较厚的翼型以提供更大的升力迎角对升力影响迎角的关键作用失速风险迎角是机翼弦线与相对气流方向的夹角，它对升力的影响非常显著当迎角超过临界值后，升力急剧减小，飞机进入失速状态随着迎角增加，升力系数先增加后减少失速是飞行中最危险的状态之一••在较小迎角范围内，升力系数与迎角近似成线性关系商用客机通常装有失速警告系统••当迎角超过临界值（通常为°°），气流会在机翼上表面分离飞行员训练中重点学习失速识别与改出•15-20•升力的产生过程上表面气流加速气流接触机翼前缘由于机翼上表面的曲率，气流需要走更长的路径，因此速度增加气流在接触到机翼前缘时分为两部分，分别流过机翼上下表面产生升力形成压力差这种压力差乘以机翼面积产生向上的升力，使飞机能够克服重力根据伯努利原理，上表面气流速度增加导致压力降低，与下表面形成压力差牛顿第三定律解释除了伯努利原理外，升力也可以通过牛顿第三定律（作用力与反作用力）来理解机翼将气流向下偏转，作为反作用，气流将机翼向上推从动量变化的角度来看机翼改变了气流的动量方向（从水平变为向下）•根据动量守恒，气流对机翼产生向上的力•这种解释与伯努利原理是互补的，而非矛盾的•实验纸飞机升力演示实验目的实验步骤通过简单的纸飞机模型，直观演示不同机翼形状对升力的影响制作平板翼型纸飞机（无曲率）

1.制作弯曲翼型纸飞机（有曲率）材料准备

2.在相同条件下测试两种飞机的飞行距离和时间

3.纸若干张•A4记录数据并分析结果

4.剪刀、尺子•预期结果计时器、测量卷尺•弯曲翼型纸飞机通常能飞得更远，滑翔时间更长，证明其产生的升力更大升力公式升力可以通过以下公式计算其中是升力，单位为牛顿•L N是升力系数，无量纲，与翼型和迎角有关•CL是空气密度，单位为（海平面约）•ρkg/m³

1.225kg/m³是飞行速度，单位为•v m/s是机翼面积，单位为•S m²这个公式揭示了影响升力的关键因素速度（二次方关系）、空气密度、机翼面积和升力系数升力与速度关系从升力公式可以看出，升力与速度的平方成正比这意味着速度增加一倍，升力增加四倍•速度减半，升力减少至原来的四分之一•这就解释了为什么飞机起飞和降落时需要特别注意速度起飞时必须达到最小速度才能产生足够升力•降落减速会大幅降低升力，需要增加迎角或使用高升力装置补偿•升力合成图解上图展示了典型机翼周围的气流流线和压力分布蓝色区域表示低压区，主要分布在机翼上表面•红色区域表示高压区，主要分布在机翼下表面•流线密度反映气流速度，上表面流线密集表示速度更高•机翼前缘附近是高压点（停滞点），气流在此分离•压力差的积分结果即为总升力，作用点位于机翼的压力中心•现代计算流体动力学技术使工程师能够精确模拟和优化这些复杂的气流模式CFD真实数据案例波音737150,000N125m²

0.6-

0.8典型起飞升力机翼面积巡航升力系数波音起飞时产生的升波音的机翼总面积约在巡航高度和速度下，波737737力约为牛顿，足为平方米，设计为在音的升力系数通常在150,000125737以将约吨的飞机抬离地各种飞行条件下优化升力之间

700.6-

0.8面与阻力800km/h巡航速度波音的巡航速度约为737公里小时，这个速度800/下能产生足够的升力并保持良好的燃油效率升力原理小结升力本质气流压力差1理论基础2伯努利原理与牛顿定律关键因素3速度、空气密度、翼型、迎角工程应用4机翼设计优化、高升力装置、飞行包线分析理解升力的本质对于飞机设计和操作至关重要科学选取机翼翼型可以提高升力效率、减小阻力，从而降低燃油消耗并提高安全性空气动力学与翼型翼型种类对称翼型非对称翼型上下表面形状完全相同，特点上下表面形状不同，通常上凸下平，特点零迎角时无升力零迎角时也能产生升力••升力系数与迎角呈线性关系升力效率高，适合常规飞行••常用于特技飞机和高速飞行器广泛应用于民用客机••例如、等例如、等•NACA0012NACA0009•NACA2412NACA4415现代飞机设计中，通常根据特定飞行需求选择合适的翼型，有时甚至在同一机翼的不同部位使用不同翼型翼型关键参数翼弦与弦长厚度与厚度比翼弦是连接翼型前缘和后缘的直线，弦长是这条直线的长度弦翼型最大厚度与弦长的比值称为厚度比较大的厚度比提供更高长决定了机翼的参考尺寸，影响升力系数的计算和空气动力特性的结构强度和更多的燃油储存空间，但会增加阻力客机典型厚度比为12%-18%弧度与弯曲度最大厚度位置弧度是翼型中线相对于翼弦的最大偏离距离弯曲度越大，零迎最大厚度距离前缘的位置对空气动力学性能有显著影响位置前角升力越大，但过大的弯曲度会增加高速阻力，甚至导致气流分移有利于减小阻力，但会使失速特性变差现代客机通常在离弦长处30%-40%空气粘性与边界层空气虽然粘性很小，但在高速飞行中其影响不可忽视当空气流过机翼表面时，会形成一个速度梯度区域，称为边界层紧贴翼面的空气速度为零（无滑移条件）•边界层内速度逐渐增加，直到达到外部流动速度•边界层厚度通常很薄，从几毫米到几厘米不等•边界层可分为层流和湍流两种状态，湍流边界层能够更好地抵抗分离，但会产生更大的摩擦阻力边界层分离会导致阻力急剧增加，升力减小，是飞机失速的主要原因机翼下洗与涡流当高压区域（机翼下表面）的空气试图流向低压区域（机翼上表面）时，会在机翼末端形成强大的翼尖涡流翼尖涡流形成诱导阻力减小涡流技术机翼产生升力的同时，高低压空气在翼尖处翼尖涡流改变了机翼附近的气流方向，产生现代飞机采用翼尖小翼、翼尖鲨鳍、垂直翼相遇，形成强大的旋转气流这些涡流可持下洗效应，使得有效迎角减小，同时产生额尖等设计减小涡流强度，降低诱导阻力，提续数分钟，对后续飞机构成危险外的阻力，称为诱导阻力高燃油效率机翼展弦比展弦比是机翼展长的平方与机翼面积的比值，是衡量机翼细长程度的重要参数展弦比对飞机性能有显著影响较大的展弦比提供更高的升力效率，减小诱导阻力•滑翔机展弦比可达，以最大化滑翔距离•25:1民航客机展弦比通常为，平衡效率与结构重量•7-11战斗机展弦比较小（约），以提高机动性•2-4然而，增加展弦比会增加结构重量和制造难度，需要在设计中权衡超临界翼型创新超临界翼型的特点性能优势超临界翼型是现代航空的重要创新，其特点包括与传统翼型相比，超临界翼型提供上表面较平坦，减缓激波形成更高的临界马赫数，延迟激波形成••后缘下表面有明显上翘减小高速阻力，提高巡航效率••最大厚度位置更靠后扩大飞机的巡航包线••前缘半径较大降低的燃油消耗••5%-15%几乎所有现代客机都采用超临界翼型或其变种高升力装置襟翼缝翼安装在翼后缘的可动面，延长翼弦并增加安装在翼前缘的可动面，形成翼与缝翼间弯曲度，显著增加升力系数起飞时通常的通道，引导高压空气流向上表面，延迟放下°°，着陆时放下°边界层分离能显著增加临界迎角，防止10-2030-°，可增加的升力失速4040%-80%扰流板安装在翼上表面的可动板，展开后破坏气流，减小升力增加阻力用于减速、下降和着陆后的减速也用于横向控制，协助副翼工作这些高升力装置在起飞和降落阶段至关重要，能在低速条件下提供足够的升力，确保飞行安全空气密度与高度关系随着高度增加，空气密度迅速减小，这对飞机升力有显著影响海平面空气密度约为•

1.225kg/m³米高度（常见巡航高度）密度约为•12,

0000.3kg/m³空气密度每减少，升力也减少约•1%1%为了补偿高空空气稀薄带来的升力减小，飞机需要增加飞行速度（在相同马赫数下真实空速更高）•优化翼型设计适应高空飞行•根据空气密度调整飞行参数•民航航线巡航高度通常在米，这一高度能平衡空气稀薄带来的9,000-12,000升力减小和更低的阻力及燃油消耗翼面载荷翼面载荷是飞机重量与机翼面积的比值，通常以表示kg/m²100kg/m60²0kg/m35²0kg/m²轻型飞机客机战斗机滑翔机和轻型运动飞机翼现代喷气客机翼面载荷适战斗机翼面载荷典型值为面载荷较低，通常在中，通常在，相对30-500-700200-400kg/m²之间，提供良之间，平衡了低速较小的机翼提供更好的机100kg/m²kg/m²好的低速性能和短距起降和高速性能需求动性和高速性能能力翼面载荷较小的飞机起飞和着陆速度低，但高速性能和阵风响应较差；翼面载荷较大的飞机高速性能好，但需要更长的跑道案例分析机翼创新A380设计挑战创新解决方案作为世界上最大的客机之一，其机翼设计面临独特挑战空客工程师采用了多项创新A380支持最大起飞重量吨采用弯度大、展弦比高的复合翼型•575•机翼必须足够坚固但又不能过重翼展米，面积平方米••

79.8845需满足机场米跨度限制段后缘襟翼和全翼展前缘缝翼•80•8兼顾低速起降和高速巡航性能复合材料占机翼结构••25%超临界翼型优化高速性能•这些创新使能够以相对较小的翼面载荷（约）满足超大型客机的升力需求A380670kg/m²空气动力学小结翼型选择展弦比影响翼型的选择直接决定了升力与阻力性能，必须更高的展弦比提供更好的升力效率，但需要权根据飞机的特定任务和飞行包线进行优化设计衡结构重量和强度边界层管理涡流控制边界层分离会导致失速，通过合理设计和高升翼尖涡流导致诱导阻力，现代设计通过翼尖装力装置可以延迟分离置减小其影响升力影响因素速度与迎角速度影响迎角影响从升力公式可知，升力与速度的平方成正比迎角与升力系数的关系在小迎角范围内，升力系数与迎角近似线性关系•每增加°迎角，升力系数增加约（具体值取决于翼型）•

10.1速度增加一倍，升力增加四倍•超过临界迎角（约°°）后升力系数急剧下降•15-20速度是控制升力最直接的方式•过大迎角导致气流分离和失速•每种飞机都有最小安全飞行速度•机翼面积调整飞机在不同飞行阶段需要不同的翼面面积起飞阶段1低速需要较大机翼面积，襟翼和缝翼完全展开，有效增加翼面面积，同时增加翼型弯曲度，提高升力系数20%-40%2爬升阶段速度增加，部分收起高升力装置，保持较大迎角以持续爬升在这个阶段，升力略大于重力巡航阶段3高速飞行，高升力装置完全收起，机翼恢复原始形态这时升力与重力基本平衡，迎角较小（约°°）2-34下降阶段速度降低，逐渐展开高升力装置在合适的下降率下，升力小于重力着陆阶段5低速需要最大升力，襟翼和缝翼完全展开，增加迎角到接近临界值，但仍保持安全裕度避免失速高升力期间气流控制襟缝翼工作原理高升力装置通过优化气流来增加升力缝翼（前缘）形成通道引导高压气流流向机翼上表面，延迟边界层分离•襟翼（后缘）增加有效翼弦和弯曲度，同时增大机翼投影面积•两者结合可使最大升力系数从约增加到以上•

1.

53.0其他增升装置涡流发生器小型装置促进湍流，延迟分离•吹气吸气系统主动边界层控制•/翼尖小翼减少诱导阻力，提高升力效率•天气因素湍流影响侧风条件大气湍流会导致升力波动，影响飞行侧风会影响有效迎角和升力分布平稳性迎风侧机翼升力增加•轻微湍流短暂升力变化，感觉•背风侧机翼升力减小•颠簸需要通过副翼和方向舵补偿•严重湍流可能导致瞬时升力不•着陆时侧风对安全影响最大•足或过大喷气客机通常会规避强湍流区域•雨雪积冰机翼表面的雨水或结冰严重影响升力改变翼型形状，破坏空气动力性能•增加表面粗糙度，增大阻力•严重结冰可使升力减少以上•50%现代飞机配备防除冰系统•/飞机载重对升力需求飞机重量与所需升力直接相关其中为升力，为飞机重量L W重量增加，需要的升力也增加•10%10%增加升力的方法•增加速度（与成正比）•v²增加迎角（但有临界限制）•使用高升力装置•在更高密度的空气中飞行（降低高度）•每种飞机都有最大起飞重量限制•MTOW超重飞行极其危险，可能无法产生足够升力•阻力与升力的平衡寄生阻力诱导阻力包括表面摩擦阻力和压力阻力，与速度的平方与升力产生相关的阻力，与速度的平方成反比成正比机翼设计需要光滑表面和流线型形状增加展弦比和使用翼尖装置可以减小诱导阻力来减小这类阻力升阻比波阻力升力与阻力的比值，是衡量机翼效率的重要指接近音速时出现的阻力，与马赫数密切相关标现代客机巡航时升阻比可达，滑超临界翼型设计可以延迟激波形成，减小波阻15-20翔机可达以上力40升力、阻力和飞行稳定性飞机稳定性与升力和阻力的关系密切重心位置影响压力中心（升力作用点）与重心的相对位置决定俯仰稳定性•重心应位于压力中心前方，形成恢复力矩•客机典型静稳定裕度为平均气动弦长•5%-15%尾翼作用水平尾翼提供俯仰稳定和控制•垂直尾翼提供偏航稳定和控制•尾翼产生的力矩平衡机翼产生的力矩•当飞机受到扰动时，如果设计合理，气动力会自动形成恢复力矩，使飞机回到平衡状态现代客机通常采用弱静稳定设计，配合飞行控制系统提供良好的稳定性和操控性工程实例大飞机C919先进翼型设计采用先进的超临界翼型，优化了高亚音速巡航性能翼型设计减小了激波强度，降低了阻力，提高了燃油效率C919高效升力系统配备全新设计的高升力系统，包括三段式缝翼和双缝襟翼，最大升力系数达到，优化了起降性能

3.2复合材料应用机翼使用了先进复合材料，减轻重量同时保持强度，提高了结构效率复合材料占机体结构比例约12%是中国自主研发的干线客机，其空气动力设计充分考虑了升力效率、巡航性能和操控性能的平衡，代表了现代民航客机的设计理念C919飞机升力日常应用纸飞机无人机简单的纸飞机也利用基本的升力原理通过折叠形成适当的翼型民用无人机多采用多旋翼设计，通过旋翼产生向上的推力（等效和迎角，纸飞机能够产生足够的升力在空中滑翔优化纸飞机设于升力）固定翼无人机则与传统飞机原理相同，利用机翼产生计可以显著延长飞行距离升力风筝直升机风筝通过适当的迎角将相对气流转向，产生向上的升力风筝的直升机旋翼实质上是旋转的机翼，每个旋翼剖面都是翼型通过形状和迎角控制决定了其飞行稳定性和升力大小调整旋翼桨距和速度控制升力大小和方向小实验自制机翼对比实验目标实验步骤比较不同角度和形状对机翼升力的影响制作不同形状的机翼模型平板型、弯曲型、非对称翼型

1.在相同气流条件下测量各模型产生的升力所需材料

2.改变迎角，记录升力变化

3.硬纸板或泡沫板•对比分析不同翼型在各种迎角下的升力性能

4.剪刀、胶水、尺子•预期结果电风扇•细线和简易支架非对称翼型应产生最大升力，且在较大迎角范围内保持稳定升力平板•型在零迎角时几乎无升力，弯曲型介于两者之间秤或弹簧测力计•升力提升技术前沿智能调节翼型可变后掠翼利用形状记忆合金或压电材料，使机翼能够实时改变形状，适应不同飞行阶段通过改变机翼后掠角，在低速飞行时提供较大的翼面面积和升力，在高速飞行时这种技术可以在每个飞行阶段都实现最佳升力和阻力性能减小阻力和等飞机已应用此技术F-14B-1主动边界层控制先进翼尖设计通过吸气或吹气系统主动控制边界层，延迟分离，增加临界迎角，提高最大升力从传统翼尖小翼发展到分叉翼尖、螺旋翼尖等，更有效地减少翼尖涡流，提高升系数军用飞机已开始采用这项技术力效率，降低燃油消耗总结升力的奥秘通过本课程，我们深入探索了飞机升力的核心原理升力来源于机翼与气流相互作用产生的压力差•伯努利原理和牛顿第三定律共同解释了升力产生机制•翼型设计、迎角、速度和空气密度是影响升力的关键因素•高升力装置使飞机能够在低速条件下安全起降•升力与阻力的平衡优化是飞机设计的核心目标•工程师们不断优化翼型设计，提高升力效率，减小阻力，使现代飞机更加安全、高效和环保飞机升力知识结构图飞行基础飞行四力、机翼结构、基本术语升力原理伯努利原理、牛顿定律、升力公式空气动力学3翼型设计、边界层、涡流、展弦比影响因素速度、迎角、面积、空气密度、载重工程应用高升力装置、先进材料、智能控制这些知识点相互联系，共同构成了完整的飞机升力理论体系掌握这一体系对于理解飞行原理、飞机设计和航空安全至关重要课堂测试测试你对飞机升力知识的掌握程度1升力公式写出升力计算公式并解释各参数的物理意义升力与速度的关系是什么？2伯努利原理解释伯努利原理如何应用于解释升力产生为什么机翼上表面压力低于下表面？3翼型参数列举并解释至少三个重要的翼型参数，它们如何影响升力性能？4失速原理解释飞机失速的原理及如何避免临界迎角大约是多少？5高升力装置描述常见高升力装置的工作原理及其在起飞和降落阶段的作用答案讲解与拓展测试答案概要拓展阅读推荐升力公式，升力与速度平方成正比《航空原理》工业出版社

1.L=CL·½ρv²S•-伯努利原理流速增加导致压力降低，机翼形状使上表面气流加速《空气动力学基础》北京航空航天大学出版社

2.•-翼型参数厚度比、弯曲度、最大厚度位置影响升力和阻力性能《飞行力学》航空工业出版社

3.•-失速原理大迎角导致边界层分离，临界迎角约°°《现代飞机设计原理》西北工业大学出版社

4.15-20•-高升力装置襟翼增加弯曲度和面积，缝翼延迟边界层分离在线资源中国航空学会网站、航空知识期刊

5.•致谢与互动感谢大家参与本次飞机升力教学课程！课后思考实践活动你能想到哪些日常生活中应用了升力尝试设计并制作一款纸飞机，应用课原理的例子？未来飞机的升力技术可程中学到的升力原理，测试其飞行性能有哪些创新？能反馈与问题欢迎提出对课程内容的任何疑问或建议，我们将在后续教学中不断完善让我们共同探索飞行的奥秘，感受科学与工程的魅力！。