无人机空气动力学与飞行原理课件(第二版)课件3 固定翼无人机气动布局

无人机空气动力学

与飞行原理

（3）固定翼无人机气动结构的组成除了少数特殊形式的固定翼无人机外，大多数固定翼无人机都由机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置五个主要部分组成

“先锋”固定翼无人机三视图固定翼无人机气动布局的类型气动布局就是指固定翼无人机的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置的，气动布局主要决定机动性。固定翼无人机的设计任务不同，机动性要求也不一样，这必然导致气动布局形态各异。现代作战固定翼无人机的气动布局有很多种，主要有常规布局、无尾布局、鸭式布局、三翼面布局和飞翼布局等。这些布局都有各自的特殊性及优缺点固定翼无人机气动结构固定翼无人机整体气动结构的特点是没有驾驶舱。它不以人作为气动设计的核心因素，不需要考虑人在飞行当中的生物维持和安全问题，所以固定翼无人机不需要驾驶舱，不需要围绕人而展开的各种设备和系统。这不仅仅影响到固定翼无人机的大小，更重要的是固定翼无人机的气动布局。

例如，有人飞机为了让飞行员获得更好的视野，驾驶舱往往是位于固定翼无人机更靠前的位置，那么发动机的进气道就必须避开驾驶舱的位置，从而决定了有人飞机的基本气动布局。而固定翼无人机则不同，它的前部是雷达罩和各种观测系统。另外，由于固定翼无人机上消除了人的因素，技战术要求也不同，造成两者气动结构布局差异很大。

总之，固定翼无人机比起有人固定翼无人机，.气动结构上会简单很多。固定翼无人机气动布局的特点根据固定翼无人机本身的特点，大部分现有的有人飞机的空气动力学理论可用。但很多固定翼无人机尺寸小，也没有人在机内直接控制和操纵，所以固定翼无人机本身和飞行过程中便遇到一些新问题。例如，对于作战固定翼无人机来说，其气动外形除了要满足隐身和高升阻比的要求外，还要满足高机动性的要求。现在提出的作战固定翼无人机的气动布局方案大多是无尾方案，有的采用推力矢量控制。对于无尾构型来说，在气动力方面的最大挑战是寻找新的操纵机构，能代替被取消的垂直尾翼，产生足够的偏航力矩，使固定翼无人机能完成高敏捷性所要求的各种动作。大多数固定翼无人机会遇到小雷诺数空气动力学问题，这是其重要特点。过去这方面的空气动力学研究比较少。如果要研制超声速固定翼无人机反而可以大量应用已有的超声速固定翼无人机和导弹的研究成果。基本机翼和机翼基本平面的定义（1）基本机翼：指包括穿越固定翼无人机机身部分但不包含边条等辅助部件的机翼。（2）机翼基本平面：指垂直于固定翼无人机参考面且包含中心弦线（位于固定翼无人机参考面上的局部弦线）的平面。固定翼无人机参考面就是机体的左右对称面，固定翼无人机的主要部件对于此面是左右对称布置的。（3）机翼平面形状：指基本机翼在机翼基本平面上的投影形状。机翼平面形状的主要参数（1）机翼面积。机翼面积是指基本机翼在机翼基本平面上的投影面积（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的两个平面之间的距离称为机翼的展长，简称翼展（3）展弦比。机翼翼展的平方与机翼面积之比（4）梯形比。机翼翼尖弦长与中心弦长之比，称为机翼的梯形比，又称尖削比（5）后掠角。描述翼面特征线与参考轴线相对位置的夹角称为后掠角。机翼相对机身的安装位置（1）根据机翼相对于机身中心线的高度位置分为：

上单翼、下单翼和中单翼。（2）根据机翼相对于机身的角度分为：

上反角和下反角。机翼的各部分装置（1）副翼。副翼是指安装在机翼翼梢后缘外侧的一小块可动的翼面，翼展长而翼弦短。副翼的翼展一般约占整个机翼翼展的1/6到1/5左右，其翼弦占整个机翼弦长的1/5到1/4左右。副翼作为固定翼无人机的主操作舵面，操纵左右副翼差动偏转所产生的滚转力矩可使固定翼无人机做横滚机动（2）前缘缝翼。前缘缝翼是安装在基本机翼前缘的一段或者几段狭长小翼，主要功用是靠增大固定翼无人机临界迎角来获得升力增加的一种增升装置。（3）襟翼。襟翼是安装在机翼后缘内侧的翼面，襟翼可以绕轴向后下方偏转，是靠增大机翼的弯度来获得升力增加的一种增升装置。（4）扰流板。分为飞行、地面扰流板两种，左右对称分布，地面扰流板只能在地面才可打开，实际上扰流板是铰接在机翼上表面的一些液压致动板，向上翻起时可增加机翼的阻力，减少升力，阻碍气流的流动达到减速、控制固定翼无人机姿态的作用。固定翼无人机飞行中所受作用力（1）升力。由机翼产生的向上作用力。（2）重力。与升力相反的向下作用力，由固定翼无人机及其运载的人员、货物、设备的重量产生的。（3）推力。发动机产生的向前作用力。（4）阻力。由空气阻力产生的向后作用力，能使固定翼无人机减速。机翼升力系数和翼尖旋涡机翼的升力系数定义为

式中CL

为机翼的升力系数；L为的升力；ρ为空气密度；V气流相对速度（固定翼无人机飞行速度）；S为机翼面积。

在产生正升力的情况下，机翼下翼面的压力总要比上翼面的大，所以有限翼展机翼下表面的高压气流会绕过翼尖而流向上翼面低压区，形成绕翼尖的空气漩涡，机翼增升装置的类型固定翼无人机机翼的增升装置是指利用增加机翼弯度、面积和延迟气流分离的等方法增加升力的装置。简单襟翼简单襟翼与副翼形状相似，放下简单襟翼，改变了翼型的弯度，使机翼更加弯曲。这样，流过上翼面的气流流速加快，压强降低；而流过下翼面的气流流速减慢，压强提高，因而上、下翼面压强差增大，升力系数增大。开放襟翼开放襟翼也称为分裂襟翼，它是从机翼后段下表面一块向下偏转而分裂出的翼面。放下襟翼后，一方面，在机翼和襟翼之间的楔形区形成涡流，压强降低，对机翼上表面的气流有吸引作用，使其流速增大，上下翼面压差增大，既增大了升力系数，同时又延缓了气流分离；另一方面，放下襟翼翼型弯度增大使上下翼面压强差增大，升力系数增大。一般最大升力系数可增大75%~85%。开缝襟翼

开缝襟翼是在简单襟翼的基础上改进而成的，这种襟翼在下偏的同时开缝，其类型有单缝襟翼和多缝襟翼（例如开2-3条缝）几种。放下开缝襟翼时，一方面，襟翼前缘与机翼后缘之问形成缝隙，下翼面的高压气沆通过缝隙高速流向上翼面后缘，使上翼面后缘附面层中空气流速加快，能量增多，延缓气流分离，减少涡流区，提高升力系数。另一方，放下单开缝襟翼，使机翼弯度增大，也有增升的效果。最大升力系数一般可以增大85%~95%。后退襟翼后退襟翼是在简单襟翼的基础上改进而成的，这种襟翼在下偏的同时还向后滑动。放下后退襟翼，不仅能增大机翼的弯度，使升力系数增大，而且还增大了机翼面积，增升效果好，且临界迎角减小得少。后退开缝襟翼后退开缝襟翼就是将后退襟翼与开缝襟翼结合起来：当襟翼下偏和后退时，它的前缘和机翼的后缘形成一条或多条缝隙。它兼有后退襟翼和开缝襟翼的优点，增升效果很好，现代高速大、重型飞机广泛使用。

①查格襟翼：查格襟翼后退量不多，因而机翼面积增加较少，机翼最大升力系数可增大110%-115%。起飞时，查格襟翼下偏角度小，阻力系数增加少，而升力系数却增加很多，升阻比增大，有利于缩短起飞滑跑距离。着陆时，查格襟翼下偏角度大，阻力系数和升力系数都提高较多，有利于缩短着陆滑跑距离。

②富勒襟翼：富勒襟翼的后退量和机翼面积的增加量都比查格襟翼的多，而且后退到某些位置时，与翼间形成的缝隙也更大，增升效果更好，其最大升力系数可增大110%-140%前缘襟翼前缘襟翼位于机翼前缘，，广泛用于高亚音速固定翼无人机和超音速固定翼无人机。放下前缘襟翼，一方面可以减小前缘与相对气流之间的夹角，使气流能够平顺地沿上翼面流动，延缓气流分离；另一方面也增大了翼型弯度。这样就使得最大升力系数和临界迎角增大。前缘缝翼前缘缝翼位于机翼前缘，作用是延缓机翼的气流分离，提高最大升力系数和临迎角。前缘缝翼打开时与机翼之间有一条缝隙，一方面，下翼面的高压气流流过缝隙后，贴近上翼面流动，给上翼面气流补充了能量，降低了逆压梯度，延缓气流分离，达到增大升力系数和临界迎角的目的；另一方面，气流从压强较高的下翼面通过缝隙流向上翼面，减小了上下翼面的压强差，又具有减小升力系数的副作用。吹气襟翼吹气襟翼又称边界层吹除增升装置，基本原理是利用从涡轮喷气发动机引出的压缩空气或燃烧热气流，通过襟翼与机翼前缘的缝隙沿上翼耐高速向后喷出，形成压制气流，称为前缘吹气襟翼，或通过襟翼与机翼后缘的缝隙向后下方以高速喷出，形成喷气幕，称为后缘吹气襟翼。

前缘吹气襟翼和后缘吹气襟翼都可以利用边界层吸附效应，又称射流效应或康达效应，推迟气流分离减小涡流区，改善机翼气流的流场，增加上、下翼面的压力差，从而使升力系数和临界迎角都增大。另外，后缘吹气襟翼所喷出气沆的反作用力在竖直方向上的分力也可使机翼升力增加。

吹气襟翼的增升效果很好，但其结构复杂，对发动机、机翼材料都提出了新的要求，目前还没有得到广泛的应用。边界层吸取增升装置与吹气襟翼相反，这种增升装置利用吸气泵，通过机翼上表面的缝隙，抽吸边界层的气流，使气流速度和能量增大，减小逆压梯度的作用。这样也可以推迟气流分离，减小涡流区，改善机翼表面气流的流场，增加上、下翼面的压力差，从而使升力系数和临界迎角都增大机翼扭转机翼的扭转是为了防止翼尖失速，改善其升力分布，使之接近椭圆分布的理想状态。一般扭转角在0~5°之间。1）几何扭转固定翼无人机机翼各剖面绕其前缘相对于机身纵轴的转角称为几何扭转角，其中翼根处的扭转角即为机翼的安装角。翼梢的扭转角一般为负值，翼根的扭转角一般为正值。如果机翼具有“线性扭转”，则机翼的扭转与距翼根的距离成正比2）气动扭转气动扭转是指机翼某一剖面的零升迎角与翼根的零升迎角之间的夹角。当机翼的剖面外形沿展向变化并引起剖面弯度沿展向的变化时，则机翼具有气动扭转。剖面的气功扭转角等于其零升迎角的负值。如果整个机翼采用相同的翼型，则气动扭转和几何扭转相同。扰流板

扰流板主要是指安装在机翼上表面或者机身背部的可偏转小翼面。当扰流板向上打开时，一方面可以增加固定翼无人机的阻力，使固定翼无人机速度降低，又称为减速扳。另一方面，打开机翼上的扰流板相当于增加了翼型向上的弯曲程度，由于扰流板的阻滞作用，使从上翼面流过的气流减速，压力差减小，从而减小机翼产生的升力，即扰流扳还具有减小力或卸除升力的作用，这点与增升装置正好是相反的。当扰流板收起时，它紧贴于机翼或机身上，不影响机翼表面气流。翼尖小翼为了提高固定翼无人机机翼升阻比，可以采用翼尖小翼的方法。有人曾经对一种小型固定翼无人机进行过试验研究，结果是加装翼尖小翼后，机翼最大升阻比可提高10.6%。但是翼尖小翼的流场复杂，影响翼尖小翼气动特性的几何参数很多，例如，小翼的高度、弦长、倾斜角、安装角、前缘后掠角、根梢比、面积和翼型等，难以精确计算。一般采用的方法是借助风洞试验确定其参数的最佳组合。此外，对原型机的气动特性进行改进时，还要注意其对机翼根部弯矩的增加和对全机静稳定性所带来的影响。附面层的基本概念附面层是指空气流过固定翼无人机时，贴近固定翼无人机表面、气流速度由层外主流速度逐渐降低为零的那一层。附面层的厚度很薄，而且与物面的长度成正比，物面长度越长，附面层越厚。在固定翼无人机机翼上形成的附面层一般都是很薄的，厚度大的只有几厘米；螺旋桨上的附面层就更薄，只有几毫米；可是巨型飞船和海轮船舷上的附面层，其厚度可以达几十厘米，甚至半米。附面层按其性质不同，可分为层流附面层和紊流附面层两类。就固定翼无人机机翼而言，一般在最大厚度以前，附面层的气流各层不相混杂而分层的流动。这部份叫层流附面层。在这之后，气流流动转变为杂乱无章，并且出现了旋涡和横向运动。这部份叫紊流附面层。附面层的分离

层流转变为紊流的那一点叫分离点。紊流附面层厚度比层流附面层的厚，而且紊流附面层底部气流的横向速度梯度也比层流附面层大得多。在紊流附面层内，流体微团杂乱无章的上下运动也使气流的能量大量消耗，这说明在紊流附面层的底层，物体表面对气流的黏性阻滞作用要比在层流附面层的底层大得多。摩擦阻力摩擦阻力是在附面层内产生的。附面层内，气流速度之所以越贴近固定翼无人机表面越慢，这必然是由于这些流动空气受到了固定翼无人机表面给它的向前的作用力的作用的结果。根据作用和反作用定律，这些被减慢的空气，也必然要给固定翼无人机表面一个向后的反作用力，这就是固定翼无人机表面的摩擦阻力。

附面层内的摩擦阻力与附面层的性质有很大关系。实验表明，紊流附面层的摩擦阻力要比层流附面层的摩擦阻力大得多。因此，尽可能在机翼上保持层流附面层，对于减小阻力是有利的。所谓层流翼型，就是这样设计的。

固定翼无人机摩擦阻力的大小，取决于空气的粘性，固定翼无人机的表面状况，以及同空气相接触的固定翼无人机的表面积。空气粘性越大，固定翼无人机表面越粗糙，固定翼无人机表面积越大，摩擦阻力就越大。压差阻力空气流过固定翼无人机机翼时，在机翼前缘部分，受机翼阻挡，流速减慢，压力增大；在机翼后缘，由于气流分离形成涡流区，压力减小。这样，机翼前后便产生压力差，形成阻力。这种由前后压力差形成的阻力叫压差阻力。机身、尾翼等固定翼无人机的其它部件都会产生压差阻力。压差阻力与物体的迎风面积、形状和物体在气流中的相对位置有很大关系，物体的迎风面积越大，压差阻力也就越大。为了减小机身的迎风面积，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小。物体形状对压差阻力的影响物体形状对压差阻力也有很大的影响。把一块圆形的平板垂直地放在气流中，在平板前面气流被阻滞，压力升高；平板后面会产生大量的涡流，造成气流分离而形成低压区。这样它前后会形成很大的压差阻力

如果在圆形平板的前面加一个圆锥体，它的迎风面积并没有改变，但形状却变了。这时平板前面的高压区被圆锥体填满了，气流可以平滑地流过，压强不会急剧升高。压差阻力降低到原来平板压差驵力的1/5。

如果在平板后面再加上一个细长的圆锥体，把充满旋涡的低压区也填满，压差阻力将会进一步降低到原来平板的1/25-1/20。像这样前端圆钝、后端尖细，像水滴或雨点似的物体，叫作流线型物体。诱导阻力

翼尖涡流使流过机翼的空气产生下洗速度，向下倾斜形成下洗流。气流方向向下倾斜的角度，叫下洗角。由翼尖涡流产生的下洗速度，在两翼尖处最大，向中心逐渐减少。

把实际升力分解，垂直于飞行速度方向的分力，起着升力的作用，平行于飞行速度方向的分力，则起着阻碍固定翼无人机前进的作用，成为一部份附加阻力。而这一部分附加阻力，是同升力的存在分不开的，因此这一部分附加阻力称为诱导阻力。

诱导阻力的大小与机翼形状、展弦比、升力和飞行速度有关。椭圆形机翼的诱导阻力最小，矩形机翼的诱导阻力最大，梯形机翼的诱导阻力介于其中。展弦比大，则诱导阻力小；展弦比小，则诱导阻力大。机翼升力越大，诱导阻力越大。低速时诱导阻力最大，诱导阻力与速度的平方成反比。干扰阻力所谓干扰阻力，就是固定翼无人机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外的阻力。由于存在干扰阻力，所以固定翼无人机的各个部件，如机翼、机身、尾翼等，单独放在气流中所产生的阻力的总和总是小于把它们组成一个整体时所产生的阻力。

为了减小干扰阻力，除了在设计固定翼无人机时要考虑固定翼无人机各部分的相对位置外，在机翼与机身、机身与尾翼等结合部，可安装整流包皮。这样可使连接处较为圆滑。

对于机翼和机身之间的干扰阻力来说，中单翼干扰阻力最小．下单翼最大，上单翼居中。总阻力固定翼无人机各种类型阻力中，只有诱导阻力与升力有关，也称为升致阻力，是产生升力必须付出的代价；摩擦阻力、压差阻力和干扰阻力都与升力的大小无关，通常称为零升阻力、寄生阻力或废阻力。固定翼无人机的总阻力是诱导阻力和废阻力之和。固定翼无人机升力和阻力公式固定翼无人机升力公式、阻力公式分别为

式中，CL为升力系数；CD

为阻力系数；

为固定翼无人机的飞行动压；S为机翼面积。固定翼无人机升力沿翼展的分布

固定翼无人机飞行时，由于机翼下表面的高压气流会绕过机翼翼尖而流向上翼面低压区，使翼尖部分上、下表面的压强趋于平衡，因此该处的升力趋于零。靠近翼尖附近的其他剖面显然也要受到不同程度的影响，离翼尖越远，影响越小。固定翼无人机升力系数曲线升力曲线最高点对应的升力系数最大，对