无人机系统理论基础 课件 第十一课时 旋翼无人机空气动力学

第十一课时旋翼无人机空气动力学BU

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AVIATION目录/CONTENTS§2无人直升机的组成§4旋翼空气动力学§3多旋翼无人机的组成§1旋翼无人机§1旋翼无人机旋翼无人机旋翼无人机指无人直升机和多旋翼无人机旋翼无人机种的旋翼既是升力面又是操纵面，同时提供前飞动力多旋翼无人机依靠每个旋翼上的螺旋桨叶片在旋转过程中产生升力§2无人直升机的组成无人直升机的组成主旋翼直升机和旋翼机等旋翼航空器的主要升力部件由桨毂、拉杆与摇臂、十字盘和数片桨叶构成的螺旋桨无人直升机的组成主旋翼的组成桨毂安装在旋翼轴上功能：连接桨叶、连接传动主轴无人直升机的组成主旋翼的组成拉杆与摇臂又称变距拉杆，变距摇臂功能：连接桨毂、T型头与十字盘无人直升机的组成主旋翼的组成十字盘由机械液压驱动，并与飞行员的操纵杆联动带动桨叶改变飞行姿态和方向无人直升机的组成主旋翼的组成桨叶将发动机转动功率转化为推进的动力搭配倾斜盘来实现直升机的灵活移动需要定期保养无人直升机的组成主旋翼的作用产生升力，平衡垂直分力产生水平分力，克服空气阻力使直升机前进在悬停时，产生侧向或向后水平分力，使直升机进行侧飞或后飞产生分力及力矩对直升机进行控制或机动飞行无人直升机的组成尾桨平衡旋翼扭矩产生的反作用力矩旋转平面平行于直升机的对称面两个旋翼通过反向旋转的形式抵消自旋效应无人直升机的组成尾桨的组成尾桨毂尾桨毂尾桨毂无人直升机的组成尾桨的作用提供反力矩,保持飞机平衡利用尾桨的变矩作用控制直升机的航向§3多旋翼无人机的组成多旋翼无人机的组成电机依据电磁感应定律实现电能转化为机械能根据电源的不同分为直流电机和交流电机，直流电机分为无刷电机和有刷电机无刷电机低干扰，噪音低，运转流畅，并且寿命较长，可控性强电机的重要指标：KV值越高，转速越快多旋翼无人机的组成电调分为无刷电调和有刷电调可改变电机正转和反转参照电机的功率选择电调多旋翼无人机的组成桨叶通过自身旋转，将电机转动功率转化为动力提供飞行所需的动能按材质可分为尼龙桨，碳纤维桨和桨多旋翼无人机的组成电池将化学能转化成电能作为能源储备，为整个动力系统和其他电子设备提供电力来源在多旋翼飞行器上普遍采用普通锂电池或智能锂电池等多旋翼无人机的组成飞行控制器一种感应器元件，主要由陀螺仪、加速计、角速度计、气压计、GPS、指南针模块、控制电路等部件组成通过高效的控制算法内核，精准感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据目前被广泛使用的飞行控制器是APM和PIX多旋翼无人机的组成飞行控制器飞行控制系统由主控单元、惯性测量单元IMU、GPS指南针模块、LED指示灯模块等部件组成主控单元是飞行控制系统的核心多旋翼无人机的组成飞行控制器飞行控制系统惯性测量单元（IMU）是高精度感应飞行器姿态、角度、速度和高度的元器件集合体多旋翼无人机的惯性测量单元多旋翼无人机的组成飞行控制器飞行控制系统GPS指南针模块用于精确确定飞行器的方向及经纬度多旋翼无人机的GPS指南针模块多旋翼无人机的组成遥控器由遥控器和接收机组成是整个飞行系统的无线控制终端多旋翼无人机的遥控器多旋翼无人机的组成机架机架的强度和重量是影响飞行器稳定的因素之一多旋翼无人机的机架多旋翼无人机的组成云台是安装、固定摄像机的支撑设备多旋翼无人机的云台§4旋翼空气动力学旋翼空气动力学旋翼翼型定义：桨叶在展向某个界面的剖面形状旋翼桨叶有其特殊的翼型形状，并且翼型形状和扭转角随展向位置变化目前主要采用非对称翼型，压力中心随迎角变化而移动，升力特性更好，阻力发散马赫数有明显的提高旋翼空气动力学旋翼翼型

旋翼空气动力学旋翼翼型空气动力产生原理:变距操作会引起桨叶剖面角度的改变，同时影响每个时刻迎角的大小原因：旋翼在前飞运动中气流流速的大小和方向时刻改变；悬停中的气流速度为旋转速度，其大小不变，方向时刻发生变化迎角与不旋转的机翼的迎角不同变距角改变旋翼翼型弦线与旋转平面的夹角旋翼空气动力学旋翼的作用升力作用：通过翼型产生向上的升力，克服直升机的重力，维持空中飞行动力作用：通过挥舞运动，改变桨尖平面方向，产生向前的水平分力克服空气阻力，使直升机保持前进速度操纵作用：通过变距操纵产生分力和力矩，对直升机进行控制和机动飞行旋翼空气动力学旋翼桨叶的空气动力特性升力方面：要求较高的最大升力系数，延迟后行工作中产生的失速阻力方面：延缓前行桨叶的失速，降低气动阻力矩方面：要求较小的气动力矩系数，降低交变载荷旋翼空气动力学空气流动的特点速度、迎角、空气动力从翼根到翼尖的变化①桨叶旋转导致在靠近翼尖部位的载荷最大②初始迎角：使桨叶在展向受力尽量保持均匀，一般在靠近根部的区域桨叶截面迎角较大，靠近尖部的区域截面迎角较小旋翼空气动力学空气流动的特点速度、迎角、空气动力从翼根到翼尖的变化③桨叶做旋转运动，桨叶上的速度为：v=ωr（式中，ω为桨叶转速；r为桨叶的展向位置旋转半径）④在悬停状态下，越靠近桨尖，速度越大旋翼空气动力学空气流动的特点速度、迎角、空气动力从翼根到翼尖的变化⑤单桨尖速度过高导致桨尖产生失速，升力损失，阻力增加⑥由于合成速度的影响，前行桨叶工作区的马赫数大，后行桨叶工作区的马赫数小空气动力沿桨叶展向的分布规律旋翼空气动力学空气流动的特点桨根的反流区翼型在靠近桨根处的迎角可能较大，使桨根区域处于失速状态桨叶前进区域桨叶相对来流速度增加，增大前进区域桨叶上的空气动力桨叶后退区域，后退速度和前飞速度相减，减小桨叶上的相对来流速度旋翼空气动力学空气流动的特点桨尖失速桨叶后退区域旋转速度和前飞速度相减造成桨盘升力不对称桨叶需要较大的变距操纵（保持升力对称，弥补升力损失）桨尖速度较大且迎角较大翼尖失速旋翼空气动力学空气流动的特点地面效应当直升机悬停靠近地面时，将会产生明显的地面效应地面效应使直升机诱导阻力减小，同时能获得更高的流体力学效应旋翼机的地面效应旋翼空气动力学空气流动的特点旋翼桨叶挥舞运动直升机悬停时旋翼旋转所产生的升力等于机身重力悬停时展向对应处的桨叶的来流速度不同，导致展向力的分布相应不同桨叶受周期力的作用，旋转时同时绕桨毂做挥舞运动悬停时桨叶的挥舞运动步云登月