第四课:核心概念辨析 - 攻角 ( ) vs. 俯仰角 ( )
欢迎来到本次教程的第一个“Boss 关”!攻角和俯仰角,是航空动力学中两个外表相似、但内涵截然不同的关键角度。混淆它们,是几乎所有初学者都会犯的错误。
在这一课中,我们将通过一系列精确的交互实验,彻底厘清这两个概念的区别。
1. 定义回顾
让我们再次明确它们的定义:
俯仰角 (Pitch Angle,
): - 参考系: 机体系 vs. 地心系
- 定义: 飞机纵轴 (机体系
Xb
轴) 与地平面 (由 NED 坐标系的 N-E 轴构成) 之间的夹角。 - 通俗理解: 飞机相对于地平线的抬头或低头程度。它描述的是飞机的几何姿态。
攻角 (Angle of Attack,
): - 参考系: 机体系 vs. 气流系
- 定义: 飞机纵轴 (机体系
Xb
轴) 与来流空气方向 (气流系Xw
轴) 之间的夹角。 - 通俗理解: 飞机机翼“迎风”的角度。它描述的是飞机与空气的相对关系,直接决定了升力的大小。
一句话总结:俯仰角是“给地面看的”,攻角是“给空气看的”。
2. 交互式实验室:控制变量法
理解两者差异的最佳方法,就是控制变量法。在下面的实验室中,我们将分别固定一个角,来观察另一个角的变化如何影响飞机和力的状态。
实验一:俯仰产生升力吗?
在这个实验中,我们将看到,仅仅抬头(增加俯仰角)并不一定能产生升力。
准备:
- 勾选显示所有三个坐标系(机体、东北地、气流)和升力 (L)。
- 将攻角 (α) 滑块精确地设置为
0°
。
操作:
- 慢慢地将俯仰 (θ) 滑块从
0°
拖动到20°
。
- 慢慢地将俯仰 (θ) 滑块从
观察:
- 你看到了什么?飞机确实抬头了,机体系
Xb
轴与地平面之间产生了明显的夹角(这就是俯仰角)。 - 但是,升力(绿色箭头)的大小并没有变化! 为什么?
- 因为攻角
始终为 0,这意味着来流方向 ( Xw
) 与飞机纵轴 (Xb
) 完全重合。无论飞机姿态如何,空气都是沿着机身方向流过,无法在机翼上下表面产生有效压力差。
- 你看到了什么?飞机确实抬头了,机体系
结论: 俯仰角 θ
自身不直接产生升力。它只改变姿态。
实验二:攻角如何产生升力?
现在,让我们看看真正的“升力之源”——攻角。
准备:
- 将俯仰 (θ) 滑块设置回
0°
(保持飞机水平)。 - 保持所有坐标系和升力可见。
- 将俯仰 (θ) 滑块设置回
操作:
- 慢慢地将攻角 (α) 滑块从
0°
拖动到15°
。
- 慢慢地将攻角 (α) 滑块从
观察:
- 你看到了什么?飞机的姿态(相对于地面)没有改变,俯仰角
θ
始终是 0。 - 但是,橙色的气流系相对于飞机 “向下” 偏转了!机体系
Xb
轴和气流系Xw
轴之间产生了夹角(这就是攻角α
)。 - [思考] 这在物理上代表什么?它代表飞机正在沿着水平方向飞行,但整个空气团正在垂直下沉,或者飞机正在微微向上爬升,使得相对气流从下方吹来。
- 最重要的是,升力(绿色箭头)的长度显著增加了!
- 你看到了什么?飞机的姿态(相对于地面)没有改变,俯仰角
结论: 攻角 α
是直接控制升力大小的关键因素。
实验三 (挑战):稳定爬升中的关系
在真实飞行中,这两个角度总是协同工作的。让我们模拟一个最常见的场景:稳定爬升。
准备:
- 勾选所有坐标系以及升力和重力。
- 将俯仰角 (θ) 滑块设置为
10°
。这意味着飞行员将机头稳定地抬高了10度。
操作:
- 现在,调整攻角 (α) 滑块,找到一个能产生足够升力的值(比如
5°
)。
- 现在,调整攻角 (α) 滑块,找到一个能产生足够升力的值(比如
观察:
- 你会发现,飞机的飞行轨迹(由气流系
Xw
轴代表)也是向上倾斜的,但它的倾角小于俯仰角! - 具体来说:飞机的机头 (
Xb
) 抬高了 10°。飞机的实际飞行轨迹 (Xw
) 抬高了 5°。而它们之间的差值,正好是攻角 5°。
- 你会发现,飞机的飞行轨迹(由气流系
结论: 在稳定飞行中,它们三者有一个优美的关系:俯仰角 (θ) = 飞行轨迹角 (γ) + 攻角 (α)。
总结与延伸
通过这三个实验,我们彻底厘清了这两个核心概念:
- 俯仰角
θ
是一个几何姿态角,描述飞机相对于地面的指向。 - 攻角
α
是一个气动动力学角,描述飞机相对于气流的姿态,并直接决定气动力的大小。
在真实的飞行中,飞行员正是通过改变俯仰角 θ
,来间接地改变攻角 α
,从而控制升力。这个过程是这样的: 拉杆
-> 舵面偏转
-> 飞机抬头 (θ 增加)
-> 机翼与原飞行轨迹的夹角变大 (α 增加)
-> 升力增加
-> 飞机改变飞行轨迹
。
理解了这一点,你就掌握了飞行动力学中最核心、也最精妙的概念之一。