第3章 无人飞行基本原理

无人机测绘技术自然资源与测绘学院徐军TelQ:93201471固定翼无人机旋翼无人机遥控指令遥测数据和图像（上行）（下行）无人机数据链路机载数据终端地面数据终端指挥控制站下行链路上行链路3.1

无人机飞行环境3.2

空气动力学基本原理3.3

翼型3.4

飞行的升力3.5 飞行的阻力与失速3.6 无人机的稳定性第3章无人机飞行基本原理第3章无人机飞行基本原理3.1无人机飞行环境3.1.1大气层3.1.2国际标准气压3.1无人机飞行环境（1）对流层：低纬度17-18km，中纬度10-12km，高纬度8-9km（2）平流层：55km（3）中间层：85km（4）电离层（暖层）：800km（5）散逸层：＞800km航空器的飞行活动环境是大气层。3.1.1大气层大气的特性：高度增加，空气密度减小。随着高度增加，空气压力减小。高度增加，气温近似线性降低（11000米对流层内）。空气的湿度越大，空气的密度越小。3.1.1大气层航空器的飞行活动环境是大气层。标准大气：为进行航空器设计、试验和分析时所用的，具有统一标准物理参数的大气。是由权威机构颁布的一种“模式大气”。标准大气表：依据实测资料，用简化方程近似表示大气参数沿高度变化排列形成的表。国际标准大气：简称ISA，由国际性组织颁布规定一个不变的大气环境，作为计算和试验飞机的统一标准。国家标准大气：由国家机构颁布的标准大气。3.1.1大气层海平面高度为0，气温为288.15

K、15

C或59

F。海平面气压为1013.2mBar(毫巴)或1013.2hPa(百帕)或29.92inHg(英寸汞柱)。国际标准大气参数3.1.2国际标准大气第3章无人机飞行基本原理3.2空气动力学基本原理3.2.1相对性原理3.2.2连续性原理3.2.3伯努利定理空气动力：空气作用在物体表面上的力升力：飞机克服自重保持在空气中飞行的力阻力：阻碍飞机前进的力。升力重力阻力拉力3.2空气动力学基本原理相对性原理：运动具有相对性。风洞：能产生稳定的气流的实验设备。风洞试验：把模型放在风洞里进行吹风实验，用来研究飞机的空气动力学问题。3.2.1相对性原理3.2.1相对性原理风洞实验1风洞实验23.2.1相对性原理流线：流体微团流动时所经过的路径。流管：流程中取一条不为流线的封闭曲线，经过该曲线上每一点做流线，由这些流线集合构成的管状曲面。（很多流线形成的管状曲面）流线越稠密，流线间距离缩小，流管变细3.2.1相对性原理流线和流线谱流线谱是所有流线的集合。3.2.1相对性原理流体模型化理想流体，不考虑流体粘性的影响。不可压流体，不考虑流体密度的变化，Ma<0.4。绝热流体，不考虑流体温度的变化，Ma<0.4。流体力学中表征流体可压缩程度的一个重要的无量纲参数，记为Ma，即马赫数3.2.1相对性原理连续性原理：单位时间内通过通道上任何截面的流体质量都相等。结论：空气流过一流管时，流速大小与截面积成反比。则根据质量守恒定律可得：即3.2.2连续性原理山谷里的风通常比平原大河水在河道窄的地方流得快，河道宽的地方流得慢日常的生活中的连续性定理高楼大厦之间的对流通常比空旷地带大3.2.2连续性原理3.2.3伯努利定理

同一流管的任意截面上，流体的静压与动压之和保持不变。能量守恒定律是伯努力定理的基础。

上式中第一项称为动压，第二项称为静压，第三项称为总压。3.2.3伯努利定理

—动压，单位体积空气所具有的动能。这是一种附加的压力，是空气在流动中受阻，流速降低时产生的压力。—静压，单位体积空气所具有的压力能。在静止的空气中，静压等于当时当地的大气压。—总压（全压），它是动压和静压之和。总压可以理解为，气流速度减小到零之点的静压。3.2.3伯努利定理同一流管：截面积大，流速小，压力大。截面积小，流速大，压力小。3.2.3伯努利定理伯努利定理适用条件气流是连续、稳定的，即流动是定常的。流动的空气与外界没有能量交换，即空气是绝热的。空气没有粘性，即空气为理想流体。空气密度是不变，即空气为不可压流。在同一条流线或同一条流管上。3.2.3伯努利定理第3章无人机飞行基本原理3.3翼型3.3.1翼型概述3.3.2翼型的组成3.3.3翼型的表示与分类翼型：机翼横截面的轮廓。3.3.1翼型概述翼型：机翼横截面的轮廓。前缘后缘翼弦最大弦厚一般为翼弦长的6%-8%最大弧高一般为翼弦的4%-8%3.3.2翼型的组成尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。水平尾翼=固定的水平安定面+可动的升降舵；垂直尾翼=固定的垂直安定面+可动的方向舵。3.3.2翼型的组成1.翼型的表示有些公司用翼型的编号来表示翼型的性质参数。NACA公司采用“四位数”翼型和“六位数”翼型。如：NACA2

4

12

NACA00

10中弧线最大弧高是翼弦长的2%最大弧高是在前缘算起40%的位置最大厚度是翼弦长的12%代表对称翼型最大厚度是翼弦长的10%3.3.3翼型的表示和分类1.翼型的分类3.3.3翼型的表示和分类椭圆形梯形后掠翼三角翼矩形机翼的平面形状3.3.3翼型的表示和分类翼型参数翼弦（直线）中弧线（直线或弧线）相对厚度（厚弦比)：反映了翼型的厚薄程度。最大厚度位置（比值）相对弯度：反映了上下翼面外凸程度差别的大小最大厚度最大中弧高前缘后缘前缘半径弦长翼弦中弧线上表面下表面3.3.3翼型的表示和分类机翼平面形状参数翼展展弦比梢根比后掠角翼根弦长翼尖弦长1/4弦线翼展后掠角翼弦典型飞机的展弦比ModelM(马赫数)AR(展弦比)后掠角F-152.53.0B737-3000.769.1725B747-4000.837.3937.5Concorde2.051.853.3.3翼型的表示和分类上反角下反角机翼沿横轴方向与机身关系3.3.3翼型的表示和分类平凸翼菱形翼3.3.3翼型的表示和分类机翼（B747在着陆进近中）3.3.3翼型的表示和分类尾翼V形尾翼T形尾翼常见布局尾翼3.3.3翼型的表示和分类单翼机双翼机多翼机3.3.3翼型的表示和分类下单翼上单翼中单翼3.3.3翼型的表示和分类第3章无人机飞行基本原理3.4飞行的升力3.4.1升力的产生3.4.2升力的计算理论依据：气流连续性原理和伯努利定理3.4.1升力的产生P1v1P2v2升力的产生原理3.4.1升力的产生压力中心——机翼升力的着力点。最低压力点——是机翼上表面负压最大的点。驻点——是正压最大的点，位于机翼前缘附近，该处气流流速为零。驻点最低压力点升力有关的几个概念（1）：3.4.1升力的产生根据风洞试验，流经机翼上缘质点比流经机翼下缘的质点先到达后缘。3.4.1升力的产生升力的计算公式：—飞机的升力系数—飞机的飞行动压—机翼的面积。飞机的升力与升力系数、飞行动压和机翼面积成正比。升力系数综合的表达了机翼形状、迎角等对飞机升力的影响。

物理意义:3.4.2升力的计算3.4.2升力的计算3.4.2升力的计算升力有关的几个概念：迎角：相对气流与翼弦的夹角，用α表示，也叫迎风角、攻角（Attachangle）。临界迎角：升力系数达到最大值时的迎角。失速：指迎角超过临界迎角时，飞机会因升力突然减少而下降的情况。3.4.2升力的计算3.4.2升力的计算第3章无人机飞行基本原理3.5飞行的阻力与失速3.5.1无人机飞行外界环境3.5.2阻力的产生3.5.3升阻比3.5.4失速1.空气

空气具有黏性。3.5.1无人机飞行外界环境2.边界层（附面层）边界层（附面层）：空气流过物体表面时，贴近物体表面的空气质点黏附在物体表面上，其运动速度为零，随着与物体表面距离的增加，空气质点的速度也逐渐增大。速度不受干扰的主流附面层边界物体表面3.5.1无人机飞行外界环境2.边界层（附面层）层流边界层：边界层内流动一层一层有规律的气流层紊流边界层：边界层内流动杂乱无章的气流层。3.5.1无人机飞行外界环境当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，在流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合，从而形成紊流，又称为湍流、乱流或扰流。2.边界层（附面层）3.5.1无人机飞行外界环境3.边界层影响因素（1）气流的相对速度（2）气流流过物体表面长度（3）空气的黏性和密度（4）气流本身的的紊乱程度（5）物体表面的光滑程度和形状气流的流速越大，流过物体表面的距离越长，空气的密度越大，层流的边界层就越容易变成紊流边界层。3.5.1无人机飞行外界环境4.雷诺数——雷诺数——空气密度，近似值1.225kg/m3——空气同物体的相对速度——空气流过物体表面的距离——空气的黏性系数，μ=1.81×10-5Pa·S临界雷诺数：层流边界层变成紊流边界层的雷诺数。一般模型飞机机翼翼型的临界雷诺数大约是50000

3.5.1无人机飞行外界环境

阻力是与飞机运动轨迹平行，与飞行速度方向相反的力。阻力阻碍飞机的飞行，但没有阻力飞机又无法稳定飞行。3.5.2阻力的产生

对于低速飞机，根据阻力的形成原因，可将阻力分为：摩擦阻力(SkinFrictionDrag)压差阻力(FormDrag)干扰阻力(InterferenceDrag)诱导阻力(InducedDrag)废阻力(ParasiteDrag)升力粘性3.5.2阻力的产生1.摩擦阻力

由于紧贴飞机表面的空气受到阻碍作用而流速降低到零，根据作用力与反作用力定律，飞机必然受到空气的反作用力，与飞行方向相反，称为摩擦阻力。影响因素：表面积表面粗糙程度边界层状态3.5.2阻力的产生紊流附面层的摩擦阻力比层流附面层的大。飞机的表面积越大，摩擦阻力越大。飞机表面越粗糙，摩擦阻力越大。3.5.2阻力的产生2.压差阻力3.5.2阻力的产生2.压差阻力气流流过机翼后，在机翼的后缘部分产生附面层分离形成涡流区，压强降低；而在机翼前缘部分，气流受阻压强增大，这样机翼前后缘就产生了压力差，从而使机翼产生压差阻力。3.5.2阻力的产生2.压差阻力影响因素：形状空气黏度边界层状态在通常情况下，机翼的阻力主要是压差阻力和摩擦阻力。流线型物体：主要是摩擦阻力非流线型物体：主要是压差阻力举例：高铁车头设计成流线型的目的是为了减少压差阻力3.5.2阻力的产生3.诱导阻力

由于翼尖涡的诱导，导致气流下洗，在平行于相对气流方向出现阻碍飞机前进的力，这就是诱导阻力。3.5.2阻力的产生诱导阻力的相关概念：（1）翼尖涡

正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面。这一形成的漩涡，叫翼尖涡。3.5.2阻力的产生（2）下洗与下洗流：

下洗：机翼产生升力时引发流经机翼的气流向下运动，这个向下的速度分量称为~。

下洗流：下洗速度的存在，改变了翼型的气流方向，使流过翼型的气流向下倾斜，这个向下倾斜的气流称为下洗流，下洗流与相对气流之间的夹角称为下洗角ε。相对气流下洗流下洗角3.5.2阻力的产生（3）空气总动力

升力和阻力的合力称为总空气动力。3.5.2阻力的产生有限展长机翼与无限展长机翼相比，由于前者存在翼尖涡和下洗速度场，导致前者的总空气动力较后者更加后斜，即前者总空气动力沿飞行速度方向（即远前方相对气流方向）的分量较后者更大。这一增加的阻力即为诱导阻力。LL’D诱导阻力的产生：下洗速度下洗角总空气动力3.5.2阻力的产生机翼平面形状：

椭圆形机翼的诱导阻力最小。展弦比越大，诱导阻力越小升力越大，诱导阻力越大平直飞行中，诱导阻力与飞行速度平方成反比翼梢小翼可以减小诱导阻力影响诱导阻力的因素：3.5.2阻力的产生减小诱导阻力的方法一：改变机翼形状椭圆形机翼和梯形机翼的比矩形机翼的诱导阻力小。3.5.2阻力的产生减小诱导阻力的方法二：增大展弦比机翼展弦比倒数诱导阻力系数减少的百分比升力系数不变低展弦比使翼尖涡变强，诱导阻力增加。高展弦比使翼尖涡减弱，诱导阻力变小。翼弦(b)翼展（l）翼展：机翼两翼端之间的距离。展弦比：翼展与弦长的比值。3.5.2阻力的产生高展弦比飞机3.5.2阻力的产生减小诱导阻力的方法三：翼梢小翼

翼梢小翼改变了机翼沿展向分布的翼载荷。3.5.2阻力的产生翼梢小翼3.5.2阻力的产生4.干扰阻力

飞机的各个部件，如机翼、机身、尾翼、起落架、发动机、不同部件衔接处都产生附加阻力，整架飞机阻力与单独部件阻力总和之间的差值，称为干扰阻力。一般情况下，整架飞机的阻力要比各个部件阻力的总和大。3.5.2阻力的产生（1）涡流干扰

指产生升力的物体对它后面部件的影响，一般表现为不利干扰。（2）尾流干扰

尾流干扰与压差阻力密切相关，总是一种不利干扰。（3）压力干扰

任何两个互相连接的部件的结合处，不同部件的压力分布会互相影响。

干扰的类型：3.5.2阻力的产生飞机各部件之间的平滑过渡和整流蒙皮，可以有效地减小干扰阻力的大小。干扰阻力在飞机总阻力中所占比例较小。3.5.2阻力的产生

升力与阻力的比值，或升力系数与阻力系数的比，叫升阻比。可以用升阻比来评价一架飞机或一个机翼的好坏。升阻比公式:或机翼的弧线在一定范围内时，弯度越大，升阻比越大。3.5.3升阻比机翼超过临界迎角时，迎角再加大，阻力增加，升力反而减小，从而产生失速。美军F18战机失速坠毁3.5.4失速1.失速的原因（1）机翼迎角超过了允许的极限值，就会出现气流分离。（2）迎角进一步增大，边界层内空气质点流过机翼上表面最高点不远就开始分离，使机翼上表面充满漩涡，升力大为减少，阻力迅速增加。3.5.4失速3.5.4失速●失速后飞机的表现飞机失速后，除飞机会产生气动抖动外，由于升力的大量丧失和阻力的急剧增大，飞行员还会感到飞行速度迅速降低、飞机下降、机头下沉等现象。3.5.4失速2.推迟失速产生的办法——使气流晚一些从机翼上分离层流边界层容易分离，紊流边界层较难分离——在机翼表面要造成紊流边界层。在机翼表面要造成紊流边界层

增加雷诺数

提高飞行速度和机翼弦长但一般无人机速度很低

，翼弦很小，所以雷诺数不可能增加很大。（1）人工扰流细砂纸细木条扰流孔扰流线虚线状扰流器锯齿状扰流器3.5.4失速（2）控制展弦比高速飞机，诱导阻力小

减小展弦比低速飞机——诱导阻力大

增大展弦比F104拦截机U2侦察机信天翁隼3.5.4失速（3）控制翼面负载翼面载荷：主翼每单位面积所分担的重力，也是一架飞机性能很重要的指标。例如：练习机：50~70g/dm3，特技机：60~90，热气滑翔机：30~50（4）减少诱导阻力——改变翼端几何形状②三角截面翼端圆弧截面翼端（模型机常用）3.5.4失速④梭形附加翼端③倾斜小翼3.5.4失速⑤分叉翼端3.5.4失速第3章无人机飞行基本原理3.6无人机的稳定性3.6.1纵向稳定性3.6.2方向稳定性3.6.3侧向稳定性1.纵向稳定性——绕横轴、俯仰稳定性飞机受微小扰动以至俯仰平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性3.6.1纵向稳定性1.纵向稳定性——绕横轴、俯仰稳定性影响因素：无人机的水平尾翼和无人机的重心位置。后半部分重力等于前半部分重力3.6.1纵向稳定性水平尾翼正常布局的飞机的平尾的安装角通常要比机翼的安装角更小。俯仰稳定力矩主要由平尾产生平尾可以产生俯仰稳定力矩，趋于保持飞机的俯仰平衡。3.6.1纵向稳定性瞬间受扰机头上抬扰动运动消失迎角恢复原值平尾附加升力俯仰稳定力矩平尾产生俯仰稳定力矩3.6.1纵向稳定性2.方向稳定性——绕垂直轴、偏航稳定性侧滑——无人机的对称面与相对气流方向不一致的飞行。（既向前方，又向侧方的运动）偏航角——相对气流方向与无人机对称轴之间的夹角。无人机纵向稳