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《Flight Physics：Essentials of Aeronautical Disciplines and Technology,with Historical Notes》
飞行物理学：航空学科和技术精要，有历史记录
作者：
E. Torenbeek
Delft University of Technology
Delft, The Netherlands

H. Wittenberg
出版社：Springer
出版时间：2009年

《Flight Physics：Essentials of Aeronautical Disciplines and Technology,with Historical Notes》

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目录
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
1 History of Aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Early history and the invention of ballooning . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 The period between 1799 and 1870 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 The decades between 1870 and 1890 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 From 1890 until the Wright Flyer III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6 European aviation between 1906 and 1918 . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.7 Aviation between the world wars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.8 Development after 1940 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2 Introduction to Atmospheric Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.1 Flying – How is that possible?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2 Static and dynamic aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3 Forces on the aeroplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4 Lift, drag and thrust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5 Properties of air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.6 The earth’s atmosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7 The standard atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.8 Atmospheric flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3 Low-Speed Aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.1 Speed domains and compressibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.2 Basic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.3 Equations for steady flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.4 Viscous flows. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
v
vi Contents
3.5 The boundary layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.6 Flow separation and drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.7 Shape and scale effects on drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4 Lift and Drag at Low Speeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.1 Function and shape of aeroplane wings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2 Aerofoil sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3 Circulation and lift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.4 Aerofoil section properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.5 Wing geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.6 High-aspect ratio straight wings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.7 Low-aspect ratio wings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.8 The whole aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5 Aircraft Engines and Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.1 History of engine development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.2 Fundamentals of reaction propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.3 Engine efficiency and fuel consumption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.4 Piston engines in aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.5 Gas turbine engine components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
5.6 Non-reheated turbojet and turbofan engines . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.7 Turboprop and turboshaft engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.8 Gas turbine engine operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
5.9 Propeller performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6 Aeroplane Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
6.2 Airspeed and altitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
6.3 Equations of motion for symmetric flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
6.4 Steady straight and level flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
6.5 Climb and descent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.6 Gliding flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
6.7 Cruising flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
6.8 Take-off and landing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.9 Horizontal steady turn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
6.10 Manoeuvre and gust loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Flight Physics vii
7 Stability and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
7.1 Flying qualities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
7.2 Elementary concepts and definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
7.3 Tail surfaces and flight control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
7.4 Pitching moment of aerofoils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
7.5 Static longitudinal stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
7.6 Dynamic longitudinal stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
7.7 Longitudinal control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
7.8 Static lateral stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
7.9 Dynamic lateral stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
7.10 Lateral control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
7.11 Stalling and spinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
8 Helicopter Flight Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
8.1 Helicopter general arrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
8.2 Hovering flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
8.3 The rotor in level flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
8.4 Flight performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
8.5 Stability and control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
9 High-Speed Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
9.1 Complications due to the compressibility of air . . . . . . . . . . . . 431
9.2 Compressible flow relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
9.3 Speed of sound and Mach number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
9.4 Flow in a channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
9.5 Shock waves and expansion flows. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
9.6 High-subsonic speed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
9.7 Transonic speed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
9.8 Supersonic speed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
9.9 Supersonic propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
9.10 Performance and operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
A Units and Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
B Principles of Aerostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523

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