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1、第三章 无人机飞行原理清华出版社l“十三五”应用型人才培养规划教材l无人机应用技术重点专业建设示范教材2 目 录第一节 空气动力学基础第二节 固定翼无人机飞行原理第三节 无人直升机飞行原理第四节 多旋翼无人机飞行原理3 一、空气动力学基础1.大气性质4 一、空气动力学基础1.大气性质3、国际标准大气 目前我国采用的是国际标准大气（简称ISA），它是由国际权威性机构或组织颁布了一种“模式大气”，依据实测资料，用简化方式近似地表示大气温度、压强和密度等参数的平均值，形成国际标准大气。 比较通用的国际标准大气规定：大气被看成完全气体，服从气体的状态方程；以海平面的高度为零高度；在海平面上，气温为15
2、，密度为1.225kg/m，声速为341m/s，此条件下的大气压强为一个标准大气压。4、黏性 大气的黏性，是空气在流动过程中表现出的一种物理性质，当空气内部各个层间存在相对运动，相邻的两个运动速度不同的层间相互牵扯的特性，称为空气的黏性。 相邻的具有不同流速的大气层间相互运动时产生的牵扯作用力，称为空气的黏性力。 大气层与层之间的流动速度不同时，流得快的一层（上层）的大气分子由于之不规则运动侵入下层，进而促使下层大气加速，（下层）气体分子会使上层大气减速。产生相互牵扯的内摩擦力，即黏性力。5 一、空气动力学基础1.大气性质4、黏性 不同流体的黏性是不相同的。流体黏性的大小可以用流体的内摩擦系数
3、来衡量，在常温下，水的内摩擦系数为1.00210-3Pas，而空气的内摩擦系数为1.8110-5Pas，其值仅，为水的1.81%。 流体的黏性和温度有关。随着流体温度的升高，液体的黏性减小，而气体的黏性将增加。 原因：液体产生黏性的原因主要是相邻流动层分子间的内聚力，温度升高，液体分子热运动加剧，分子间的内聚力减小了，故黏性也会减小； 气体产生黏性的原因主要是相邻流动层间产生内摩擦力，温度升高，分子间的横向动量交换也加剧，层与层之间的相互牵扯力也增加，故而黏性增大。5、可压缩性 气体的可压缩性，是指当空气流过物体时，在物体周围各处，气流速度会有增加或减小的变化，相应气体压强会有减小或增大的变化
4、，进而影响其密度和体积也改变的性质。 气体密度的变化就是可压缩性的体现。液体对这种变化的反应很小，因此一般认为液体是不可压缩的；而气体对这种变化的反应很大，所以一般来讲气体是可压缩的。 一般民用固定翼和多旋翼无人机的飞行均认为是低速飞行，不考虑气体的可压缩性。6 一、空气动力学基础2.气体流动的基本规律7 一、空气动力学基础2.气体流动的基本规律2、连续性假设 在标准大气状态下，每1mm3的空间里大约含有2.71016个分子空气，分子之间是存在间隙的。 每个分子在作无规则的热运动，把热运动过程中，空气分子两次碰撞之间所经过的平均路程称为空气分子的平均自由行程。 当飞行器在这种空气中运动时，由于
5、飞行器的外形尺寸远远大于气体分子的自由行程，故在研究飞行器和大气之间的相对运动时，气体分子之间的距离完全可以忽略不计，即把大量的、单个分子组成的大气看成是连续的介质，这就是在进行空气动力学研究时，提出的连续性假设。3、连续性定理 质量守恒定律是自然界基本的定律之一，它说明物质既不会消失，也不会凭空增加。 质量守恒定律应用在流体的流动上：当流体在低速、稳定、连续不断地流动时，流管里的任一部分，流体都不能中断或积聚，在同一时间内流进任何一个截面的流体质量和从另一个截面流出的流体质量应当相等。8 一、空气动力学基础2.气体流动的基本规律9 一、空气动力学基础2.气体流动的基本规律3、连续性定理 连续
6、性定理：当低速定常流动时，气流速度的大小与流管的截面积成反比。 流体流动速度的快慢，还可用流管中流线的疏密程度来表示，在截面面积大的地方流速低，在截面面积小的地方流速高。 连续性定理只适用于低速（流速低于0.3a，a为声速）的范围，即可认为流体密度不变，该定理不适于亚声速，更不适合于超声速的情况。10 一、空气动力学基础2.气体流动的基本规律4、伯努利定理 能量守恒定律说明能量不会自行消失，也不会凭空产生，而只能从一形式转化为另一种形式。伯努利定理便是能量守恒定律在空气动力学中的具体应用，它描述流体流动过程中流体压强和速度之间关系的流动规律。 流体没有流动，不同截面处(A、B、C截面)的流体流
7、速均为零，三根玻璃管中的液面高度同容器中的液面高度一样，这表明，此时不同截面处的流体的压强都是相等的。 流体在流动过程中，不同截面处的流体压强也不相同。从实验可以看出，在A-A截面，管道的截面积较大，流体流动速度较慢，玻璃管中的液面较高，压强较大，在C-C截面，管道的截面积较小，流体流动速度较快，玻璃管中的液面较低，压强较小。11 一、空气动力学基础2.气体流动的基本规律12 目 录第一节 空气动力学基础第二节 固定翼无人机飞行原理第三节 无人直升机飞行原理第四节 多旋翼无人机飞行原理13 二、固定翼无人机飞行原理1.升力1、翼型 1）定义及几何参数 机翼横截面的轮廓叫翼型或翼剖面，是指沿平行
8、于无人机对称平面的切平面切割机翼所得到的剖面。直升机的旋翼和螺旋桨叶片的截面也称翼型。1-翼剖面；2-前缘；3-后缘；4-翼弦 翼型的特性对固定翼无人机性能有很大影响，选用最能满足设计要求，其中也包括结构、强度方面要求的翼型是非常重要的。14 二、固定翼无人机飞行原理1.升力1、翼型 1）定义及几何参数 翼型各部分的名称如图。一般翼型的前端圆钝，后端尖锐，下表面较平，呈鱼侧形。 （1）弦长，连接翼型前缘和后缘的直线段称为翼弦（也称为弦线），其长度称为弦长。 （2）最大厚度位置，翼型最大厚度所在位置离到前缘的距离称为最大厚度位置，通常以其与弦长的比值来表示。 （3）相对厚度，翼型的厚度是垂直于翼
9、弦的翼型上，下表面之间的直线段长度，翼型最大厚度与弦长之比，称为翼型的相对厚度，并常用百分数表示。 （4）相对弯度，是指翼型的最大弯度与弦长的比值，通常用百分数表示。翼型的最大弯度是指翼型中弧线与翼弦之间的最大垂直距离。翼型的相对弯度说明翼型上、下表面外凸程度的差别，相对弯度越大，翼型上、下表面弯曲程度相差也越大；若中线和翼弦重合，翼型将是对称的。15 二、固定翼无人机飞行原理1.升力1、翼型 2）常用翼型 中小型无人飞机，与一般飞机在气动力上差别不大，翼型的选择可以按常规飞机的设计程序进行。 高空长航时无人飞机以及微型无人飞机则有明显的特殊性，由于高空空气稀薄，高空长航时无人机在飞行时要用大
10、升力系数。此外，它又要留空时间长，所以如果用喷气式发动机的无人机机翼升阻比要大。 根据这个要求，应选择大升阻比对应的升力系数大的翼型，部分高速无人机机翼和尾翼一般采用对称翼型；而低速无人机机翼大多采用平凸或双凸翼型。16 二、固定翼无人机飞行原理1.升力1、翼型 3）机翼平面形状17 二、固定翼无人机飞行原理1.升力2、升力的产生及影响因素 1）升力的产生 翼弦与相对气流速度之间的夹角叫迎角,用a表示。 现在将一个上边凸起,下边微凸的翼型放在流速气流中，根据连续性定理和伯努利定理可知： 在翼型的上表面，因流管变细，即流管截面积减小，气流速度大，故压强减小； 而翼型的下表面,因流管变化不大,故压
11、强基本不变。 翼型上、下表面生了压强差，形成了总空气动力R，R的方向向后向上,总空气动力R与翼弦的交点叫做压力中心。 总空气动力分成两个分力：一个与气流速度垂直，起支托飞机重量的作用,就是升力Y;另一个与流速平行,起阻碍飞机前进的作用，就是阻力D。升力产生1-空气动力作用点 2-前缘 3-后缘 4-翼弦18 二、固定翼无人机飞行原理1.升力2、升力的产生及影响因素 1）升力的产生 机翼的压力分布 空气压力是指空气的压强，即物体单位面积上所承受的空气的垂直作用力。凡是比大气压力低的叫吸力(负压力)，凡是比大气压力高的叫压力(正压力)，机翼表面各点的吸力和压力都可用向量表示,向量的长短表示吸力或压
12、力的大小。 压力最低(即吸力最大)的一点,叫最低压力点(B点); 在前缘附近,流速为0,压力最高的一点,叫驻点(A点),由图中可以看出，机翼升力主要靠上表面的吸力，而不是靠下表面的压力。19 二、固定翼无人机飞行原理1.升力20 二、固定翼无人机飞行原理1.升力21 二、固定翼无人机飞行原理1.升力2、升力的产生及影响因素 3）升力系数 失速，是指当迎角增大到一定程度时，气流会从机翼前缘开始分离，尾部会出现很大的涡流区，这时，升力会突然下降，而阻力却迅速增大，这种现象称为失速。失速刚刚出现时的迎角称为“临界迎角”，某翼型在020迎角下模拟飞行状态，可以看到16是失速迎角，此时尾部出现涡流区。在
13、三种情况下，迎角容易超过临界迎角：低速飞行高速飞行转弯飞行失速时，常常伴随着螺旋，也就是当一侧机翼先于另一侧机翼先失速，无人机会朝先失速的一侧机翼方向沿纵轴旋转，称为螺旋。改出螺旋的基本方法：推杆到底，并向反方向拉杆，如果发动机是高速运转，必须立即收油门，向螺旋相反方向打舵，螺旋停止后，使用失速改平的方法改出。22 二、固定翼无人机飞行原理1.升力3、增升装置 可采用以下增升原则： 增大升力系数：改变机翼剖面形状、增大机翼弯度； 增大机翼面积； 改变气流的流动状态、控制机翼上的附面层、延缓气流分离。 前缘增升装置（a）前缘襟翼；（b）机翼前缘下垂；（c）前缘缝翼；（d）克鲁格襟翼。后缘增升装置
14、（a）简单襟翼；（b）开裂襟翼；（c）单缝襟翼；（d）富勒襟翼；（e）双缝襟翼；（f）三缝襟翼。23 二、固定翼无人机飞行原理2.阻力24 二、固定翼无人机飞行原理2.阻力1、阻力的产生及影响因素 2）压差阻力 压差阻力的大小，与物体的迎风面积、形状以及在气流中的位置有关。物体的迎风面积越大，压差阻力也就越大；机身横截面的形状应采取圆形或近似圆形，因为相同体积下圆形的面积数较小。在迎风面积相同的条件下，将物体做成前端圆钝、后端尖细的流线型可以大大减小物体的压差阻力，其压差阻力最小25 二、固定翼无人机飞行原理2.阻力26 二、固定翼无人机飞行原理2.阻力1、阻力的产生及影响因素 4）干扰阻力
15、干扰阻力，是无人机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外阻力。干扰阻力主要产生在机身和机翼、机身和尾翼、机翼和发动机短舱、机翼和副油箱之间。 气流流过机翼和机身的连接处，在机翼和机身结合的中部，由于机翼表面和机身表面都向外凸出，流管收缩；而在后部由于机翼表面和机身表面都向内弯曲，流管扩张，在这里形成了一个截面面积先收缩后扩张的气流通道。 气流在流动过程中，压强先变小后变大，因此，导致后边的气流有往前回流的趋势，形成一股逆流，逆流与迎面气流相遇，互相干扰，因此叫干扰阻力。 为减少干扰阻力，在设计中，应妥善考虑和安排各部件的相对位置，同时加装整流片，连接过渡圆滑，减小旋涡的产生。27 二、固定翼
16、无人机飞行原理2.阻力2、总阻力 1）总阻力分析 摩擦阻力、压差阻力和干扰阻力统称为零升阻力或废阻力。 总阻力=废阻力+诱导阻力 某翼型的无人机总阻力随速度变化曲线： 诱导阻力是随着速度的增大而降低的，而废阻力是随着速度的增大而增大的，当诱导阻力和废阻力相等时，总阻力最小。28 二、固定翼无人机飞行原理2.阻力29 二、固定翼无人机飞行原理3.升阻比30 二、固定翼无人机飞行原理4.拉力 大部分的轻微型民用固定翼无人机都是依靠螺旋桨产生拉力/推力（实质上，拉力也是推力，只是对于螺旋桨无人机，习惯上称为拉力）。1、螺旋桨介绍 螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的桨叶与毂相连，螺旋桨的拉力是电动固定翼无人机和油动固定翼无人机常用的前进动力。 桨叶的平面形状很多，使用较多的有普通桨叶、矩形桨叶和马刀形桨叶三种。 31 二、固定翼无人机飞行原理4.拉力 大部分的轻微型民用固定翼无人机都是依靠螺旋桨产生拉力/推力（实质上，拉力也是推力，只是对于螺旋桨无人机，习惯上称为拉力）。1、螺旋桨介绍 1）右旋螺旋桨和左旋螺旋桨 站在螺旋桨后面（从机尾看向机
