《无人机飞行原理》教案 项目5 旋翼无人机的飞行品质与飞行性能

课时教学教案课程:无人机飞行原理任课教师:XXX授课题目旋翼无人机的稳定性和操纵性教学形式双师共课时授课班级授课日期教学目的掌握旋翼无人机的坐标轴系和受力。能够分析旋翼无人机的力矩。理解旋翼无人机平衡。重点1、坐标轴系、力及力矩2、运动中旋翼的受力分析。难点1、直升机的自动倾斜器的结构及原理。2、俯仰力矩、横侧力矩及方向力矩有哪些课堂结构及时间分配复习引入………………..…（5分钟）教学内容旋翼无人机的机体坐标轴系和受力………………..（40分钟）旋翼无人机的平衡………………...（40分钟）课堂小结………….…（5分钟）课后体会i教学过程及教学内容[复习引入]复习：自动倾斜器的工作原理。直升机的旋翼由桨毂和桨叶组成，桨毂由发动机经过传动机构带动旋转。桨叶与桨毂的连接通常由3个关节实现。这3个关节分别是水平关节（挥舞绞）、垂直关节（摆振铰）和轴向关节（变距铰）。[教学内容]5.1.1旋翼无人机的机体轴系和所受外力旋翼无人机的机体坐标轴系与力矩坐标轴系x轴穿过无人直升机重心,指向前方,绕x轴的旋转称为滚转;y轴穿过无人直升机重心,指向上方,绕y轴的旋转称为偏航;z轴穿过无人直升机重心,指向右方,并与x轴和y轴都垂直,绕z轴的旋转称为俯仰。旋翼无人机上的力矩(1)俯仰力矩：俯仰力矩的作用是使无人机绕横轴做抬头或低头的转动。(2)偏航力矩：偏航力矩的作用是使无人机绕立轴做旋转运动。(3)滚转力矩：滚转力矩的作用是使无人机绕纵轴做滚转运动。旋翼无人机的自动倾斜器和电动操纵机构旋翼无人机的自动倾斜器自动倾斜器的旋转环跟桨叶同步旋转,并有变距拉杆分别与每片桨叶相连。不旋转环与总距杆相连,并带动旋转环一同旋转或沿旋翼轴上下滑动。自动驾驶仪操纵总距杆使自动倾斜器整体上下移动,即同时同等地改变各片桨叶的桨距,以控制旋翼拉力的大小;周期变距杆与不旋转环相连，自动驾驶仪操纵变距杆向任何方向偏转,则带动旋转环倾斜,实现桨叶的周期变距,从而控制旋翼拉力的倾斜方向。旋翼无人机所受外力重力：旋翼无人机各部件、油料、货物等重力的合力就是重力W。旋翼力(1)拉力：拉力沿旋翼旋转轴向上为正,是各片桨叶的升力在旋转轴上的投影的合成。(2)后向力：后向力在桨毂旋转面内指向旋翼无人机的正后方。后向力来自桨尖平面的后倒、前行桨叶与后退桨叶的翼型阻力之差,以及旋翼纵向挥舞与旋翼入流相结合所造成的剖面升力倾斜。(3)侧向力：侧向力在桨毂旋转面内指向方位角90°方向。侧向力来自桨尖平面的倾斜以及旋翼横向挥舞与旋翼入流相结合所造成的剖面升力倾斜。(4)反扭矩：反扭矩与旋翼旋转方向相反,由旋翼的旋转阻力(包括型阻和诱导阻力)形成。(5)桨毂力矩：桨毂力矩是指对于挥舞铰不在旋转中心的旋翼,且由桨叶离心力引起的与挥舞铰有关的力矩,与挥舞铰偏置量成正比。桨毂力矩主要包括附加的俯仰力矩和附加的滚转力矩。5.1.2旋翼无人机的平衡一、平衡条件：作用于直升机的各力之和为零；各力对重心所构成的力矩之和也为零。二、俯仰平衡：（1）直升机的俯仰平衡，是指作用于直升机的各俯仰力矩之和为零；直升机取得俯仰平衡后，不绕横轴转动。（2）影响俯仰力矩的因素：提放桨距（上提桨距杆，桨叶安装角增大，桨叶迎角随之增大，拉力增大，旋翼俯仰力矩增大；反之，下放桨距杆，桨叶安装角减小，桨叶迎角减小，拉力减小，旋翼俯仰力矩减小。）；重心位置（重心在拉力作用线之前，随着速度增大，旋翼所形成的下俯力矩减小；重心在拉力作用线之后，随着速度增大，旋翼所形成的上仰力矩增大）；飞行速度（前飞速度增大，因相对气流不对称性增大，旋翼锥体后倾量增大，从而改变旋翼俯仰力矩。）三、直升机的方向平衡☻直升机的方向平衡，是指作用于直升机的各偏转力矩之和为零。☻直升机取得方向平衡后，不绕立轴转动或只作等速转动。四、直升机的横侧平衡☻直升机的横侧平衡，是指作用于直升机的各滚转力矩之和为零。☻直升机取得横侧平衡后，不绕纵轴转动。[课堂小结]旋翼无人机的机体坐标坐标轴系与固定翼无人机的类似，对应的力矩也相似，可对比机翼。旋翼无人机的平衡也是其设计重要的指标，要尽量理解。[课后体会]本节课内容可结合固定翼无人机的坐标轴系、受力、力矩及平衡性对比记忆。说明本节重点及本节内容必要性。与固定翼无人机机体坐标轴系对比机翼。重点讲解自动倾斜器的结构构成及工作原理深入讲解与固定翼无人机的平衡性联系记忆重点理解对应的力矩课时教学教案课程:无人机飞行原理任课教师:XXX授课题目旋翼无人机的稳定性和操纵性教学形式双师共课时授课班级授课日期教学目的掌握旋翼无人机稳定性的概念。能够理解旋翼无人机静稳定和动稳定性及影响因素。旋翼无人机的操纵。重点1、无人直升机的静稳定性和动稳定性。2、无人直升机安定性分析、操纵行。难点1、直升机稳定力矩的产生。2、影响无人直升机安定性、操纵性的因素。课堂结构及时间分配复习引入………………..…（5分钟）教学内容旋翼无人机稳定性……………………..（40分钟）旋翼无人机的操纵性…………………..（40分钟）课后体会…………………..…（5分钟）i教学过程及教学内容[复习引入]引入：自动倾斜器的工作原理。直升机的旋翼由桨毂和桨叶组成，桨毂由发动机经过传动机构带动旋转。桨叶与桨毂的连接通常由3个关节实现。这3个关节分别是水平关节（挥舞绞）、垂直关节（摆振铰）和轴向关节（变距铰）。[教学内容]5.2.1旋翼无人机的稳定性旋翼无人机稳定性概念稳定是在平衡的前提下定义的，稳定性通常是指旋翼无人机保持固有运动状态或抵制外界扰动的能力。旋翼无人机的静稳定性：平衡状态被破坏瞬间的旋翼无人机运动趋势，称作旋翼无人机的静稳定性。旋翼无人机的动稳定性：动稳定性是指作定常飞行的旋翼无人机受到扰动而偏离其平衡状态后，在由此而产生的力和力矩作用下所发生的运动性质。旋翼无人机的稳定性纵向稳定性（1）对速度的净稳定性：旋翼无人机偶然受到干扰后，使飞行速度发生变化，如果出现新的附加力矩，使之自动恢复原来的速度，则旋翼无人机按速度是静稳定的；反之，按速度是静不稳定的。（2）对桨盘迎角的静稳定性：旋翼无人机偶然受到干扰后，迎角发生了变化，如受到干扰后抬头，如果出现新的附加低头力矩，使之自然趋于恢复原来的迎角，则旋翼无人机按迎角是静稳定的；反之如果出现附加力矩是抬头力矩，使机身进一步抬头，则按迎角是静不稳定的。2.旋翼无人机的纵航向静稳定性当旋翼无人机偶然受到干扰偏离原来航向后，在初始时若能产生恢复力矩，则旋翼无人机是航向静稳定的；反之，则是航向静不稳定的。3.旋翼无人机的纵横向稳定性旋翼无人机在偶然受到干扰后，横向平衡状态遭到破坏，旋翼无人机发生侧倾，这时会出现侧滑。例如当旋翼无人机向右倾斜时，右倾的旋翼气动力使旋翼无人机向右移动，即出现右侧滑。若此时出现新的左滚力矩来消除向右侧滑，即具有自动恢复原来横向平衡状态的趋势，则旋翼无人机是横向静稳定的；反之则是横向静不稳定的。的。旋翼无人机的动稳定性概念：旋翼无人机的动稳定问题，研究的是旋翼无人机受扰后的飞行状态的动态过程，是一个非定常问题，对于受扰运动的全过程分析，要进行复杂的数学运算。改善动稳定的措施：增加旋翼的阻尼、安装平尾、增稳电子系统。旋翼无人机的阻尼旋翼无人机在受扰转动之后还可能出现一种阻滞转动的力矩，通常称为阻尼。旋翼无人机的阻尼主要来自旋翼和尾桨。旋翼无人机的纵向阻尼：旋翼无人机的纵向阻尼主要来自旋翼。阻尼与角速度有关，阻尼对稳定性起着重大作用，在构造上增加阻尼的方法。旋翼无人机的航向阻尼：对于单旋翼带尾桨式旋翼无人机，航向阻尼主要来自尾桨。旋翼无人机的横向阻尼：对于单旋翼带尾桨式旋翼无人机，横向阻尼主要受到旋翼和尾桨的影响。5.2.2旋翼无人机的操纵性一、基本概念操纵性：自动驾驶仪通过伺服机构对旋翼无人机施加力和力矩，以保持旋翼无人机在阵风的空气中处于定常飞行状态，或者完成所希望的机动飞行能力。稳定性：是旋翼无人机的一种运动属性，是指旋翼无人机保持固有运动状态或抵制外界扰动的能力。操纵性是研究旋翼无人机在自动驾驶仪操纵后的飞行状态改变的动态过程。操纵特性与操纵输入量有关，该操纵输入控制着旋翼无人机从某一种飞行状态过渡到另一种飞行状态。操纵力矩：航向操纵力矩——自动驾驶仪通过伺服机构改变尾桨桨距来实现；纵向和横向操纵力矩——通过自动倾斜器的倾斜角来实现。特点：旋翼无人机对各自由度的控制并非彼此独立；旋翼无人机对操纵的响应存在各轴之间的严重耦合；旋翼无人机响应滞后较大。二、旋翼无人机的操纵方式单旋翼带尾桨旋翼无人机的操纵方式与固定翼无人机操纵方式对比固定翼无人机各运动轴的操纵面彼此独立，升降舵提供俯仰力矩，方向舵产生偏航力矩，副翼差动使无人机滚转，螺旋桨拉力或喷气推力使无人机前进，它们各司其职，互不干扰。而且固定翼无人机的主升力面（机翼）不参与操纵。►这些优点使无人机的操纵特性远优于旋翼无人机。双旋翼无人机操纵方式双旋翼无人机没有尾桨，全部飞行操纵皆由旋翼执行；每一副旋翼都有一套自动倾斜器，均可进行周期变距，以改变每一副旋翼的拉力和倾斜方向；利用两副旋翼拉力变化的组合，实现旋翼无人