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1、无人机高原航测飞行研究和应用高原一般指长期连续的大面积地壳抬升运动中隆起的海拔1000m以上的广大地域。我国青藏、内蒙、云贵、黄土四大高原占国土面积百分之四十，尤其是青藏高原，平均海拔在4000m以上。高原地区飞行，由于受地形、气候、气压、大气密度等因素的影响，飞机的气动性能、操控特点、发动机工作状态、气象条件以及机载设备运行等，与低海拔地区飞行有着明显的区别。特别是海拔3000m以上的高原飞行，其特点表现相当明显，实施飞行有一定的难度，高度越高，难度越大。而这些地区往往是地理信息建设的薄弱区域，因此，研究以无人机为平台的高原地区航测飞行，对于加强现代化地理信息建设具有重要的意义。最近，我们在
2、西部海拔4000m左右的高原进行了无人机航测的实飞，从理论和实践上探索了无人机高原飞行的有关问题，取得了一定的成果。实践证明，使用目前比较通用的常规固定翼航测无人机，在海拔4000至4500米的高原实施航测飞行，是可以做到的。一、 任务剖面实施时间2014年10月下旬，测区在我国西部青藏高原某地，海拔高度4000至4200米，地形为起伏不大的丘陵，测区范围内的高差230米。拍摄主体为相对集中的居民区，获取分辨率1:500的用于制作三维影像的多视角基础数据。影像获取设备为中测新图（北京）遥感技术有限责任公司开发的“多视立体航摄系统”。该系统由五台索尼NEX-7数码相机集合组成，其中一台相机的镜头
3、光轴向下与水平面垂直，其余四台按飞行方向分别为向前、向左、向右和向后倾斜，倾斜角45。相机感光元件成像面积23.4mm15.6mm，分辨率2400万（3:2像幅规格时像素60004000）。相机搭载35mm定焦镜头，等效于全画幅相机的50mm左右焦距。设计飞行高度470m（相对高度），实际飞行的绝对高度4500-4750m。根据三维影像的制作需要，航线设计航向重叠度80%，旁向重叠度80%，航线间距40m。采用定点曝光模式。二、飞行平台使用单发固定翼无人机，机身和机翼均为轻木结构加蒙布表面，采用常规气动布局，上单翼，前置发动机，后三点起降装置。机身长204cm（含发动机），最宽处21cm，机身
4、最大截面积462cm ，自前往后分别为机载设备舱、油箱、任务设备舱、伞舱。飞机可以采用滑跑、弹射、车载三种起飞方式，以及滑降、伞降两种降落方式，具有较高的机动性能。翼展261cm，翼型为梯形平直机翼，平凸形截面翼型，平均空气动力弦约于弦长26%处。单幅机翼的长度120cm，翼根弦长39.6cm，翼尖弦长29cm，面积4116cm，机翼总面积8232cm。机翼安装角约1.5，上翻角约1。飞机的动力装置为一台国产DLA-64双缸两冲程活塞式发动机，配置2210英寸的木质螺旋桨。此前未发现该发动机海拔4000m以上使用的相关记录。该飞机设计和制作工艺比较成熟，具有较好的气动特性，起降距离短，飞行状态
5、稳定，抗侧风能力较强，保持常用的90-120km/h速度巡航时，纵向和横测安定性都有良好表现。飞机和发动机震动较小，使用1/1000秒以上的快门速度进行航拍，成像效果未发现明显的径向模糊现象。 三、前期测试进驻高原前，我们在海拔1070m的场地对飞机进行了测试，并进行了试飞验证。1、测试环境。海拔1070m，实测场压897 hPa，温度8C，相对湿度40%，起飞方向275，气象风向240，风速6m/s。2、飞机重量。全载状态17.2kg，其中燃油2.46kg。3、发动机拉力。地面最大油门时，转速6940r/min，拉力12.4kg，推（拉）重比为0.72。4、起飞方式。车载起飞，将飞机安装在汽
6、车顶部的专用发射架上，汽车沿跑道直线加速至100km/h，启动发射架的开锁机构，飞机离架升空。5、起飞实测结果。汽车从“0”加速至100km/h，行驶320m；汽车保持100km/h速度时，可以认为飞机真速也是100km/h，此时地面站显示飞机速度（表速）在95km/h附近跳动，可见在1070m高度上，真速与表速有5km/h左右的差值。6、在150m飞行高度进行了小速度试飞。飞机起飞后爬升至150m高度，保持速度100km/h，平飞状态，将油门收至最后，随着速度减小逐步增加拉杆量，使飞机继续保持平飞。速度降至70km/h前，飞机比较平稳，操控性能也基本正常。降至70km/h以下时，飞机操纵性和
7、安定性都开始下降，继续降至52km/h，飞机进入明显的“失速飘摆”状态，说明飞机已接近或超过临界迎角。四、气动特性分析1、小型民用无人机普遍没有经过风洞实验，因而没有升力系数的可靠数据，我们在进行必要的计算时，只得采用“空气动力相似”的方法，参考雷诺数接近的相似翼型的参数进行尽可能真实的测算。2、该机的翼型为Clark-Y翼型，最大厚度14.1%，在27.2%弦长；最大弯度3.2%，在41%弦长。经在低海拔地区（50m）多次试飞，车载起飞离架速度80km/h才能确保飞行状态比较稳定。初始爬升时地面站显示飞机仰角5-6，此时的飞行迎角应为4-5。从 Clark-Y翼型中与本机最为接近的相关资料查
8、得，迎角5的升力系数约0.70。3、空气密度，海平面标准空气密度为1.226kg/m，随着海拔高度升高及气压气温的变化，空气密度也会发生变化。其概略数值为每上升1000m高度，空气密度降低约0.1317kg/m，4000m高度的标准空气密度约0.6992kg/m。4、从经验得知，海平面车载起飞的安全离架速度应不小于80km/h（22.2m/s），我们可以通过升力公式反推出海拔4000m高度的安全离架速度。升力公式：LVSCL/2 式中：L升力，牛（飞机全重17.2kg，换算成力的单位约168.7牛） 空气密度（海平面及标准大气条件下1.226kg/m，海拔4000m高度的空气密度约0.7kg/
9、m） V飞行速度（飞机与气流的相对速度，米/秒） S机翼面积，米（本机为0.8232m） CL机翼升力系数（假定离架后保持5的迎角爬升，升力系数约0.70）显然，起飞时升力必须大于重力，飞机才能上升，也就是说，这架飞机起飞离架时的升力必须达到168.7牛以上。用以上参数代入升力公式可以算出，飞机离架时的速度不得低于28.9m/s，即104km/h。这个结论数据虽然不是以原型机吹风数据为基础算出来的精确数据，但我们认为具有相当高的可靠性，完全可以用于指导飞行实践。实际飞行时，不可能用最低安全离架速度起飞，而应留有一定的安全余度，我们认为在海拔4000m高度车载起飞，离架速度110km/h-120
10、km/h比较合适。五、表速（IAS）与真空速（TAS）换算表速（IAS）是指飞机仪表指示的速度。在无人机上，表速是由皮托管（空速管）测量得到的空气动压与静压的差值，经解算成km/h的数值，再传到地面站显示出来的。真速（TAS）是飞机与空气的相对运动速度。表速是以海平面标准气压和空气密度为计算基准的，在海平面高度，表速等于真速。当飞行高度升高，外界气压和密度降低，表速就不能反映飞机的真实飞行速度。对于飞机操控性能来讲，表速更应当引起重视。在低海拔地区进行低空飞行时，真、表速差值不大，一般可以忽略其差值。但在高原或高空飞行时，必须充分考虑真、表速差值对飞行的影响。真、表速的差值在预知条件下（气压、
11、密度、温度等）是可以计算的，但在飞行现场难以实施。为此，我们以海平面标准气压和空气密度为基准进行1000m梯度的计算，得出近似的估算系数，即高度每升高1000m，TAS比IAS约增加5%。如在4000m高度飞行，表速指示100km/h，真速已达到120km/h左右。六、发动机功率特性小型无人机使用的活塞式发动机作为产品都没有提供高空试车台的测试数据。此类发动机的高原高空特性已列入国家高技术研究发展计划863项目，项目主持人西北工业大学365研究所张学平等人，曾经对两种无人机用的发动机（国产双缸两冲程和进口四缸四冲程）进行过台阶式高原测试。测试的国产双缸两冲程发动机在275m高度时，最大功率40
12、.011KW，转速6297r/min；高度4500m时，最大功率21.929KW，转速6054r/min。这个实验基本可以说明，此类发动机高度升高4225m，功率下降45%左右。实验使用的是无增压发动机和定距螺旋桨，这个静态测试结果包括发动机机械效率和螺旋桨效率，与我们使用的发动机基本相同，其实验数据可供参用。为获得更加实际的参考数据，我们对发动机的拉力进行了低海拔和高海拔地面静态测试。在低海拔（50m）时，测得发动机最大拉力13.76kg，飞机重量17.2kg，飞机推（拉）重比1：.8；海拔3970m时，测得最大拉力.6kg，飞机推（拉）重比仅为1：0.349。七、高原天气特征我国青藏高原是
13、世界海拔最高、范围最大、地形最为复杂的高原，地势高亢，群山绵延，切割深邃，江流奔泻，异常壮观。青藏高原地形极大地改变了对流层中下部西风气流的运动，增加了高原地区大气运动的复杂性，严重地影响着高原及其下游地区天气的变化。其天气对飞行的影响主要表现在以下几个方面： 1、地面大风多。由于海拔高，在空中层结不稳定的情况下 ，高空强风向地面动量下传，常引起地面大风。在特殊地形的作用下，常常导致风力强劲且风向变化快，影响飞机起降。2、地形对气流的影响大。乱流多，低空风切变明显。在高原或山区，气流越山、绕山时，被迫发生方向或速度的改变，形成乱流、山地波和风切变。在强风作用下，气流扰动更为明显。尤其是低空风
14、切变可造成飞机失速，严重危害飞行安全。3、多雷暴和冰雹飞行危险天气。夏季，印度洋西南季风携带大量水汽侵入高原，为高原地区强对流云生成和发展准备了条件。加上高原较强的地面湍流加热和地面动量输送，午后热力对流旺盛，下午至傍晚积雨云、雷暴和冰雹等天气出现频次很高，为北半球同纬度地带的高发区。 4、多低云低能见度。在高原，由于特殊地形的原因，低云和雾经常互相转换，爬坡雾（低云雾、多变雾）时有发生。5、日温差大，天气变化短、频、快。同一地区日温差有时达30多度，对飞行和飞机设备都有明显的影响。各种天气现象来去匆匆，在短时间内反复出现。例如雷雨可以在一个下午时间内形成数次，一次雷雨，过程从开始生成到完全消
15、散只需30分钟左右；不到5分钟风向变化180；能见度从大于10公里到0公里或者从0公里到10 公里只需要几分钟。有时一天之中可经历风、雨、雪、雾、雹等多种特殊天气现象。八、高原实飞情况2014年10月下旬，作业组在西部某地成功进行了两架次航测实飞。1、飞行条件。起飞场地海拔3970m，当日天气云量6-8个，碎积云，云相对高度约500m，气温4C，风速6-8m/s，气象风向240（起飞方向280），实测气压628hPa，相对湿度30%。2、实施计划。到达目的地后，首先选择起降场，确定在测区北侧6km处的一条公路上进行起降。计划飞行2架次，采用车载起飞方式。根据车况和道面情况，确定装载飞机的汽车起
16、跑位置距离操控手1400m，第一架次飞机离架速度确定为120km/h，经试跑汽车加速至120km/h的行驶距离约1100m。航线原点设在起降场正上方，自驾仪限定最大坡度25，速度100km/h（真速约120km/h），最大上升角6，最大下滑角5。降落场地设置在公路一侧的草地上，使用滑撬作为飞机的降落装置。3、飞行情况。第一架次于12:55起飞，13:48降落，空中时间53分钟；第二架次15:00起飞，16:37降落，空中时间97分钟。作业组分工一人现场总指挥，一人任飞机操控手，一人随车控制车载架开锁装置，一人负责地面站。第一架次，装载飞机的汽车达到起跑点后，操控手进行对舵，检查确认良好，指挥员下达起飞指令。汽车加速过程中随车人员从50公
