《无人机概论》第3章-无人机飞行原理

第三章无人机飞行原理清华出版社“十三五”应用型人才培养规划教材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1、大气组成大气，是指包围在地球周围的气体，是由干洁空气、水汽和大气杂质等组成的。干洁空气由78%的氮气、21%的氧气以及1%的其他气体组成，其他气体包含二氧化碳、氩气、氮气、氖气、臭氧等。2、大气的状态参数和状态方程大气的状态参数，主要包括压强，温度和密度等3个，这3个参量决定了气体状态，组成气体状态方程：𝑃=𝜌𝑅𝑇其中：𝑃为空气的压强（Pa）；𝜌为空气的密度（kg/m³）；𝑅为大气气动常数，𝑅=287.05J/kg·KR；𝑇为大气的绝对温度（K），它与摄氏度t（℃）之间的关系为𝑇=𝑡+273。1）当温度不变时，压强和密度成正比。2）当密度不变时，压强与温度成正比。3）当压强不变时，密度与温度成反比。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℃，密度为1.225kg/m³，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来衡量，在常温下，水的内摩擦系数为1.002×10-3Pa·s，而空气的内摩擦系数为1.81×10-5Pa·s，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，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1、相对运动原理根据牛顿三大定律中的作用与反作用定律：两物体间的作用力和反作用力总是作用在一条直线上,大小相等方向相反。（a）飞机以𝑣速度飞行（b）气流以速度𝑣流过飞机两种情况下，在无人机上产生的空气动力完全相等。因此可以把以上两种运动情况看成是等效的。在实验研究和理论分析中，往往采用让无人机静止不动，而空气以相同的速度沿相反的方向流过无人机表面。在这个情况下产生的空气动力效果与无人机以同样的速度在空气中飞行所产生的空气动力效果完全一样，这就是飞行中所提出的“相对运动原理”。风洞实验就是建立在这个原理基础上的。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2.7×1016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3、连续性定理当气体稳定地、连续不断的流过一个粗细不等的变截面管道时，根据质量守恒定律，流过管道任一截面的气体质量都是相等的。流过A-A截面的气体质量m1=ρ1v1A1，流过B-B截面的气体质量m2=ρ2v2A2，根据质量守恒定律，流过管道任一截面的气体质量相等，则m1与m2应相等，即：𝑚1=𝑚2，𝜌1𝑣1𝐴1=𝜌2𝑣2𝐴2截面可以任意选取，因此可以得出，单位时间内流过任何截面的气体质量都是相等的。ρvA=常数式中：ρ为大气密度（kg/m3），v为气体的流动速度（m/s），A为所取截面的面积（㎡）。如果在流动过程中，气体密度不变，则ρ1=ρ2=ρ，则可简化为：𝑣1𝐴1=𝑣2𝐴2上式称为不可压缩流体沿管道流动的连续性方程。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4、伯努利定理在管道中稳定流动的不可压缩理想流体，在与外界没有能量交换的情况下，在管道各处的流体的动压和静压之和应始终保持不变，即：静压+动压=总压=常数伯努利定理：流管中，流入流出两端面的能量差等于流体功的增加量。在低速状态下，且气体不可压缩，可得到伯努利方程：𝑃1+12𝜌𝑣12=𝑃2+12𝜌𝑣22=𝑃0式中：P代表静压；代表动压；P0代表总压，它是动压与静压之和，也是气流速度为零时的静压。由连续性定理和伯努利方程联合分析可知，不可压缩的理想流体在变截面管道中流动时，且不予外界发生能量交换，则：流体流过的截面积小的地方，流速就大，动压大，静压小；流体流过的截面积大的地方，流速就小，动压小，静压就大。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）机翼平面形状各种不同平面形状的机翼，其升力、阻力之所以有差异，与机翼平面形状的各种参数有关。机翼平面形状的几何参数：（1）机翼面积，指机翼在机翼基本平面上投影面积，用S表示。（2）翼展，在机翼之外刚好与机翼轮廓线接触，且平行于机翼对称面(通常是无人机参考面)的两个平面之间的距离称为机翼的展长，用L表示。（3）展弦比，机翼翼展的平方与机翼面积之比，或者机翼翼展与机翼平均几何弦长（机翼面积S除以翼展L）之比，L²/S。（4）后掠角，描述翼面特征线与参考轴线相对位置的夹角。用x表示，通常x0表示前缘后掠角，x0.25表示1/4弦线后掠角，x1.0表示后缘后掠角。后掠角表示机翼各剖面在纵向的相对位置，也即表示机翼向后倾斜的程度，后掠角为负表示翼面有前掠角。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2、升力的产生及影响因素2）升力公式𝑌=12𝐶𝑦𝜌𝑣2𝑆式中：𝑌为升力(N)，𝐶𝑦为升力系数，𝜌为空气密度(kg/m3)，𝑣为相对气流速度(m/s)，𝑆为机翼面积(m2)。影响升力的因素主要有：（1）机翼面积的影响（2）相对气流速