《固定翼无人机技术》课件-课程教案1-第一章 固定翼无人机概述 11-17

固定翼无人机技术固定翼无人机技术教师年级授课时间教学内容第一章固定翼无人机概述授课类型现场讲授学情分析教材分析教学目标知识与技能1、掌握固定翼无人机的定义，特点及分类。2、了解固定翼无人机的飞行环境，空气的性质与标准大气，各种飞行高度等。过程与方法1、讲授法2、讨论法3、直观演示法4、读书指导法5、任务驱动法6、现场教学法7、自主学习法教学重点难点教学重点固定翼定义特点与分类大气飞行环境，空气性质，及各种高度教学难点1、固定翼无人机的各种分类2、大气环境参数，各种高度知识框架图教学过程主备从备（教师姓名）[课堂引入]引入：这一部分首先让大家对固定翼无人机相关概念有一个明确的理解和认识，然后对飞机平台的五大部分作一个整体介绍。[教学内容]固定翼无人机概述思考：1.什么是固定翼无人机，与无人直升机和多旋翼无人机相比有什么优缺点？2.简述无人机的几种分类方法。3.简述对流层和平流层的特点。4.马赫数为什么能反映气体的压缩性？5.什么是雷诺数，雷诺数对飞行有什么影响？6.为什么要规定“标准大气”，中华人民共和国标准大气是如何规定的？7.飞行中各种高度是如何定义的？1.1固定翼无人机的定义1.1.1概念辨析从本质上看，固定翼无人机首先是“飞机”，然后从控制的角度又属于“无人机”。所谓飞机，就是由动力装置产生推力/拉力，由固定机翼产生升力，在大气层中飞行的重于空气的航空器。综合“飞机”和“无人机”的概念，固定翼无人机在本书中可以定义为，由控制站管理的具有固定翼的航空器。1.1.2特点与分类固定翼无人机特点固定翼无人机具有与无人直升机和多旋翼无人机不同的特点，可以概括为以下优势和不足：1.固定翼无人机优势（1）航程大、续航时间久。（2）飞行速度快。（3）飞行高度高。飞行高度范围涵盖高、中、低空。（4）任务载荷大。飞行效率高，运载能力大，经济性好。2.固定翼无人机不足（1）对起降条件要求较高，需要跑道或者专用发射/回收器械；中型和大型固定翼无人机都需要有机场，对起降场地要求相对比较苛刻。（2）是低速飞行灵活性和机动性不如直升机和多旋翼。固定翼无人机的分类从不同角度看，固定翼无人机可以有不同的分类方法：1．按照重量分类中国民用航空局在新版《民用无人机驾驶员管理规定》中对无人机的分类为：军用无人机根据起飞重量，可以划分为小、中、大型无人机。2.按使用领域划分民用无人机目前主要用于货物运输、无线通信、地质勘探、地形测绘、农作物病虫害防治、农作物产量评估、森林防火、汛情监视、交通管制、气象监测、航拍摄影等方面。军用无人机在杀伤和非杀伤两个方向上根据应用领域的不同，可以分为以下类别。3．其他分类方法根据不同的研究目的，还可以有很多分类方法。例如按照执行任务的高度H，无人机可以分为超低空无人机；低空无人机；中空无人机；高空无人机；超高空无人机。军用无人机按航程、活动半径、续航时间和飞行高度分类可以分为战术无人机和战略无人机。按照控制方式可以分为遥控式、半自主式和自主式，以及兼具以上方式的混合式。按照动力装置可以分为电动式、油动式和油电混合式等。1.2固定翼无人机的飞行环境飞行器的飞行活动与其所处的环境有着密不可分的关系。在学习飞行原理之前，了解飞行器的飞行环境非常重要。固定翼无人机飞行的主要环境为地球表面的大气层。1.2.1大气飞行环境按照大气在垂直方向的物理特性，可以将大气分成若干层次。按大气温度随高度分布的特征，可把大气分成对流层、平流层（旧称同温层）、中间层、热层和散逸层（见图1-5）。大气层的底界是地面，而顶界则没有明显的自然界限。如果以空气密度接近于星际气体密度的高度来作为顶界的话，这一高度约为2000～3000km。目前的航空活动，均发生在对流层和平流层。1．对流层对流层有以下特点：①气温随高度的升高而降低。②有云、雨、雾、雪、雹等天气现象。③空气上下对流激烈。2．平流层在平流层内，空气没有上下对流，只有水平方向的风，这种水平风的形成，是由于高空中空气稀薄，摩擦力减小，当空气随着地球自转而运动时，上层空气落后于下层空气，就形成了与地球自转方向相反，方向一定的水平风。1.2.2空气的性质与标准大气空气的状态参数气体是流体的一种，描述其状态的物理量叫做气体的状态参数。最常见的有：1.体积：体积是物体占有多少\t"/item/%E4%BD%93%E7%A7%AF/_blank"空间的\t"/item/%E4%BD%93%E7%A7%AF/_blank"量，以符号V表示，其\t"/item/%E4%BD%93%E7%A7%AF/_blank"国际单位制是\t"/item/%E4%BD%93%E7%A7%AF/_blank"立方米m3。2.密度：密度是物质每单位体积内的质量，以符号ρ表示。密度的国际单位制是千克每立方米，kg/m3。3.温度：气体的温度描述了气体的冷热程度，是分子热运动平均移动功能的度量。温度的度量方法叫温标，常用的温标有摄氏温度、华氏温度和热力学温度三种。摄氏度是\t"/item/%E6%91%84%E6%B0%8F%E5%BA%A6/_blank"摄氏温标的温度计量单位，用符号℃表示。华氏度（F）是温度的一种度量单位，在\t"/item/%E5%8D%8E%E6%B0%8F%E5%BA%A6/_blank"标准大气压下，冰的熔点为32℉，水的\t"/item/%E5%8D%8E%E6%B0%8F%E5%BA%A6/_blank"沸点为212℉，中间有180等分，每等分为华氏1度，记作“1℉”。热力学温度（又称开尔文温标、\t"/item/%E7%83%AD%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E6%B8%A9%E5%BA%A6/_blank"绝对温标，简称\t"/item/%E7%83%AD%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E6%B8%A9%E5%BA%A6/_blank"开氏温标），0K的温度相当于摄氏零下273.16度（在实际计算中常取-273℃）。三种温标之间换算关系如下：C=5/9（F－32）F=9/5×C+32T=t+273.15式中t----摄氏温度（℃）；F----华氏温度（℉）；T----热力学温度（K）。4.压强物体所受的压力与受力面积之比叫做压强，压强用来比较压力产生的效果，压强越大，压力的作用效果越明显。压强的单位是帕斯卡，符号是Pa（N/m2）。实际应用中，为了便于测量和使用，还常用以下压力单位：百帕（hPa）：1百帕=100Pa=1毫帕千帕（kPa）：1千帕=1000Pa1标准大气压=760毫米汞柱=1013hPa。工程大气压（at）：lat=1kgf/cm2=98066Pa。标准大气压（atm）：温度为15℃时，海平面上空气的平均压力，1atm=1.033at。PSI：1PSI=1

Ibf/

in2-=0.07kgf/cm2=6894.8Pa；1kgf/cm2=14.3PSI。毫米（或英寸）汞柱：1毫米（或英寸）汞柱的压力等于高为1毫米（或英寸）汞柱的重力对底部所产生的压力。航空活塞发动机的进气压力常用此单位。空气的性质1．热膨胀性在一定压强下，流体体积随温度升高而增大的性质称为流体的热膨胀性。热膨胀性的大小用膨胀系数α表示，它的物理意义是单位温度变化所引起的体积的相对变化率，即（1-1）式中α——体积膨胀系数：K-1；V——流体的体积：m3；ΔV——流体体积的增加量：m3；气体的热膨胀性相对很大，一般不可忽略。当气体压强不变时，温度每升高1K，体积便增大到273K时体积的1/273。因此，气体的热膨胀系数α=1/273（K-2.压缩性与马赫数在一定温度下，流体体积随压强升高而减少的性质称为流体的压缩性。压缩性的大小用体积压缩率k表示，它的物理意义是单位压强变化所引起的体积的相对变化率，即（1-2）式中k——体积压缩率：Pa-1；V——流体的体积：m3；ΔV——流体体积的变化量：m3；由于压强增大，体积缩小，Δp与ΔV变化趋势相反，为保证k为正值，上式右边加一负号。并且从k的表达式可以看出，当压强变化相同时，体积变化率越大，k也就越大，即流体越容易被压缩，而k小的流体不易被压缩。因此，k值标志着可压缩性的大小。体积压缩率k的倒数，称为体积模量，以K表示。（1-3）飞行马赫数Ma等于前方来流速度V（即飞机相对气流的速度）与当地声速a之比：Ma＝V/a3.黏性与雷诺数流体流动时，在流体内部产生阻碍运动的摩擦力的性质称做流体的黏性。黏性是流体物理性质中最重要的性质。流体产生黏性的最主要的原因有两条：一是流体分子之间的吸引力产生阻力；二是流体分子做不规则的热运动的动量交换产生阻力。牛顿经实验研究发现，流体运动产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速度变化（即速度梯度）成正比，与接触面的面积成正比，与流体的物理性质有关，而与接触面上的压强无关（图1-7）。这个关系式称为牛顿内摩擦定律，即（1-4）式中F——流体层接触面上的内摩擦力：N；A——流体层之间的接触面积：m2；dv/dn——速度梯度：1/s；μ——黏性的表示方法及其单位流体黏性的大小以黏度来表示和度量，气体的黏度表示主要是以下两种：1.动力黏度μ从牛顿内摩擦定律可得（1-5）2.运动黏度ν动力黏度μ与流体密度ρ的比值称为运动黏度，以ν表示。即（1-6）飞机在空气中运动，其雷诺数用公式表示为（1-7）式中，b为气流流经物体的距离，单位m。当雷诺数在1～100之间时，流体的流动全是黏性流。不过这种情况只存在于润滑的滚珠轴承之内，或者太空高度稀薄大气之中。而雷诺数大于100的流场往往是边界层与无黏性流的混合流场。流体黏性的作用只集中在边界层内。不过边界层的情况很多时候会影响到整个流场，如引起机翼的过早失速等。标准大气中国国家标准总局于1980年颁布了“中华人民共和国标准大气”（30km以下部分）：大气被看成完全气体；以海平面的高度为零。且在海平面上，大气的标准状态为：气温T＝15℃压强p＝1标准大气压（即p＝101325N/m2）密度ρ＝1.2250kg/m3声速a＝341m/s。在11千米以下，高度每增高100米，温度降低0.65℃；在11～20千米，温度保持-56.5℃。这样规定的标准大气压，与中国中纬度（北纬45°）实际大气十分接近。1.2.3飞行中各种高度高度表示某个点距离某个指定参考面的垂直距离。飞机的飞行高度是指飞机在空中距某一个基准面的垂直距离。根据所选基准面，飞行中使用的飞行高度大致可分为以下四种：1．绝对高度飞机从空中到平均海平面的垂直距离。在海上飞行时，用雷达可直接测出绝对高度。2.相对高度飞行器到某指定的水平面（机场、靶场、战场等）的垂直距离。3.真实高度飞机从空中到正下方接触面（水面，地面，山顶等）的垂直距离称为真实高度。4.标准气压高度飞行器从空中到标准气压平面（即大气压力等于760毫米汞柱的水平面）的垂道距离，称为标准气压高度。[课堂小结]学习任务单。[课后体会]作业设计