《无人机应用技术概论》第3章 无人机飞行原理

第三章无人机飞行原理任务1空气动力学基础任务引入空气动力学是研究气体（主要是空气）与固体之间相互作用的科学，对于无人机来说，这种相互作用直接决定了其飞行性能和稳定性。通过学习空气动力学，我们可以了解无人机如何通过各种力（如升力、阻力和推力）在空中保持平衡和移动。这有助于我们深入理解无人机的飞行行为，以及如何优化其设计以提升性能。同时，这些知识还能帮助我们在实际操作中更好地应对各种飞行条件，确保无人机的安全飞行。1.理解和掌握牛顿运动定律；2.掌握力的平衡原理；3.理解伯努利定律；4.理解连续性定理。1.掌握连续性定理在空气动力学中的应用；2.掌握伯努利定律在空气动力学中的应用。思政要点空气动力学基础对于无人机飞行原理至关重要，它不仅关系到无人机的设计和性能优化，还直接影响着飞行安全和效率。从牛顿运动定律到伯努利定律，这些基础理论支撑了航空技术的发展和创新。我国科研团队在空气动力学领域的深耕细作，取得了显著成就，如中国商飞在C919大型客机研发中的空气动力设计，展现了我国在该领域的自主创新能力。作为新一代青年学生，我们应深刻理解这些基础理论的重要性，努力学习和掌握相关知识，为未来投身航空事业打下坚实基础。同时，我们应关注航空技术的发展动态，培养创新思维，为推动我国航空科技进步贡献青春力量。牛顿第一定律1牛顿第二定律2牛顿第三定律3连续性定理4伯努利定律5一、牛顿第一定律一、牛顿第一定律牛顿第一定律，也被称为惯性定律，主要表述为：一切物体在没有受到力的作用时，总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。1.定义一、牛顿第一定律物体的惯性大小与其质量密切相关。惯性是物体抵抗改变其运动状态的特性，质量越大，惯性就越强。这意味着，在外力作用下，质量较大的物体运动状态改变的难度较大，而质量较小的物体则相对容易改变其运动状态。另一方面，外力的大小和作用时间对物体运动状态的改变有着重要影响。外力越大，物体运动状态的改变程度就越大；外力作用时间越长，物体运动状态的改变速度就越快。这是因为外力持续作用下，物体内部的动能逐渐积累，从而使其运动状态发生改变。2.惯性与外力一、牛顿第一定律无人机的惯性导航系统是一种利用惯性传感器来测量无人机的加速度和角速度，并通过积分运算得到无人机的速度和位置信息的自主式导航系统。它通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，用于测量无人机的加速度和角速度。计算机根据测得的加速度和角速度信号进行积分运算，得到无人机的速度和位置信息，从而实现对无人机的导航和定位。3.应用二、牛顿第二定律二、牛顿第二定律牛顿第二定律，也被称为牛顿第二运动定律，它阐述了物体加速度和作用力之间的关系：物体的加速度与作用力成正比，与物体质量成反比（即与物体质量的倒数成正比），且加速度的方向与作用力的方向相同。该定律用数学公式可以表示为：其中F表示物体所受的合力，m表示物体的质量，a表示物体的加速度。1.定义二、牛顿第二定律通过对无人机推力、阻力和升力的调整，我们可以改变其受到的合力，从而控制加速度和运动状态。例如，若要使无人机上升，可以提高旋翼转速，增加升力，使无人机受到向上的合力，进而产生向上的加速度，实现上升动作。同理，当无人机所受外部合力为向前时，便会产生向前加速度，从而实现前进。此外，通过调整不同旋翼的转速或机翼的角度和飞行速度来控制其姿态和运动状态，例如实现悬停、翻滚和俯仰等动作，具体原理可见各任务中飞行原理部分。2.应用三、牛顿第三定律三、牛顿第三定律牛顿第三定律，也被称为作用与反作用定律，主要表述为：任何作用力都会伴随着一个大小相等、方向相反且同时产生、同时消失的反作用力。这两个力不仅总是成对出现，而且作用在同一直线上，但作用于不同的物体上，因此不会相互抵消。简而言之，当一个物体对另一物体施加力时，它自身也会立即感受到一个等大的反作用力。1.定义三、牛顿第三定律对于旋翼类无人机，其通过旋翼的快速旋转产生向上的升力，同时根据牛顿第三定律，旋翼也会受到一个大小相等、方向相反的反作用力。这种升力与反作用力的相互作用，不仅使旋翼类无人机能够实现悬停、升降等基本飞行动作，还允许飞行员通过精确控制旋翼的转速和倾斜角度，来调整无人机的飞行姿态，确保其在各种复杂环境中的稳定性和操控性。对于固定翼无人机，牛顿第三定律在推进力控制和稳定性维持上发挥着关键作用。当固定翼无人机向前推进时，机翼产生向前的推力，根据牛顿第三定律，空气对机翼产生向后的反作用力，成为无人机前进的动力。同时，机翼产生的升力使无人机克服重力保持飞行高度，而升力的产生也伴随着向下的反作用力，空气对此产生向上的反作用力，维持飞行稳定性。2.应用四、连续性定理四、连续性定理连续性定理，也可称为质量守恒定理，主要表述为：当流体流过一流管时，流体将连续地稳定地在流管中流动，在同一时间流过流管任意截面的流体的质量是相等的。用数学公式可以表示为：其中S表示流管横截面积，v表示流体通过时的速度。该定理在文丘利管（一种测量流体压差的装置）中体现为：当空气稳定地连续地在一流管中流动时，流管截面面积小时，流速大；截面面积大时，流速小。1.定义四、连续性定理在固定翼无人机的机翼设计中，机翼的上表面通常比较凸出，而下表面则相对平坦，如图所示。这种设计导致机翼上方的流管较细，而机翼下方的流管较粗。根据连续性定理，由于单位时间内流经机翼上下表面的空气质量必须相等，因此在机翼上方，空气流速必须加快以适应较细的流管，而在机翼下方，空气流速则相应减慢以适应较粗的流管。2.应用五、伯努利定律五、伯努利定律

1.定义五、伯努利定律在固定翼无人机的机翼设计中，机翼的上表面通常比较凸出，而下表面则相对平坦，如图所示。这种设计导致机翼上方的流管较细，而机翼下方的流管较粗。根据连续性定理，由于单位时间内流经机翼上下表面的空气质量必须相等，因此在机翼上方，空气流速必须加快以适应较细的流管，而在机翼下方，空气流速则相应减慢以适应较粗的流管。2.应用任务总结通过本次空气动力学基础的学习，学生掌握了牛顿三定律（第一定律、第二定律、第三定律）、连续性定理和伯努利定律的定义及其应用，并能够运用这些定律分析无人机飞行中的实际问题。同时，通过实践演练，学生也提高了自己的动手能力和团队协作能力。在今后的学习中，希望学生能够继续深化对空气动力学的理解，为无人机技术的应用和发展做出更大的贡献。巩固与提高（1）请简述连续性定理的基本概念，并解释它在无人机机翼升力产生中的作用。（2）在设计无人机机翼时，如何运用连续性定理来提高飞行性能？请给出至少两个具体的设计思路。（3）请解释什么是伯努利原理，并讨论它在无人机飞行中的应用，特别是与连续性定理的关系。第三章无人机飞行原理任务2无人机飞行原理任务引入本任务聚焦于全面解析多旋翼无人机、固定翼无人机、垂直起降固定翼无人机及无人直升机的飞行原理，涵盖从基本运动特性到特定飞行阶段的技术细节，旨在培养学生掌握各类无人机飞行规划、操作技巧及故障应对能力，并在此过程中培养其高度的安全责任感与团队协作精神。1.掌握多旋翼无人机垂直运动、俯仰运动、横滚运动、偏航运动的基本原理；2.掌握固定翼无人机俯仰运动、滚转运动、偏航运动的基本原理；3.掌握垂直起降固定翼无人机起飞阶段、固定翼模式转换阶段、平飞阶段、多旋翼模式转换阶段以及降落阶段的基本原理；4.掌握无人直升机的起降、悬停、偏航及水平飞行的基本原理。1.能够根据飞行任务规划多旋翼无人机的飞行航线，并进行飞行操作；2.能够独立进行固定翼无人机的起飞、降落以及飞行过程中的姿态调整；3.能够熟练操作垂直起降固定翼无人机，在不同飞行阶段进行模式转换；4.能够独立进行无人直升机的起降、悬停以及水平飞行操作。知识目标能力目标学习目标思政要点无人机的飞行原理是现代航空技术的重要组成部分，它不仅体现了科技的力量，也是国家创新能力的象征。从多旋翼到固定翼，再到无人直升机，无人机技术的发展历程充满了科研人员的辛勤汗水和智慧结晶。例如纵横股份公司，作为中国工业无人机领域的首家科创板上市公司，其在垂直起降固定翼无人机领域的市占率全国第一，推动了行业的快速发展。作为新时代的青年，我们应深入学习无人机的飞行原理，这不仅是对先进科技知识的掌握，也是对国家安全的责任担当。同时，我们应关注无人机技术的安全性，确保其合法、安全、可控的使用，防止其被滥用于非法活动，维护国家安全和社会稳定。多旋翼无人机飞行原理1固定翼无人机飞行原理2垂直起降固定翼无人机飞行原理3无人直升机飞行原理4一、多旋翼无人机飞行原理一、多旋翼无人机飞行原理多旋翼无人机的升力与螺旋桨的转速密切相关。在一般情况下，螺旋桨的转速越高，产生的气流速度就越快，从而产生的下推气流和反作用力（即升力）也就越大。因此，通过调整螺旋桨的转速，可以精确地控制无人机的升力大小。X型无人机，作为多旋翼无人机的一种常见布局形式，以其独特的结构和飞行特性，在展示多旋翼无人机的飞行动作时具有显著的优势。为了充分展示多旋翼无人机的飞行原理，在本任务中我们采用X字形无人机做飞行动作演示。一、多旋翼无人机飞行原理垂直运动是无人机最基本的运动之一，通过同时增加或减少所有旋翼的转速来实现，如图所示。当所有旋翼的转速同时增加时，无人机产生的总升力增大，从而使无人机上升；相反，当所有旋翼的转速同时减小时，总升力减小，无人机则下降。这种对旋翼转速的同步调整，使得无人机能够在垂直方向上实现稳定地升降运动。1.垂直运动俯仰运动是通过调整前后两组旋翼的转速差异来实现的。当前组旋翼（例如机头方向的旋翼）的转速增加，而后组旋翼（例如机尾方向的旋翼）的转速减小时，如图所示，无人机的前部将产生一个向上的升力，而后部则产生一个向下的力，这种升力差异使得无人机的前端抬起，实现抬头上升的动作。相反，当前组旋翼转速减小、后组旋翼转速增加时，无人机将实现低头下降的动作。2.俯仰运动一、多旋翼无人机飞行原理横滚运动是通过改变左右两侧旋翼的转速差异来实现的。当左侧旋翼的转速增加，而右侧旋翼的转速减小时，左侧产生的升力将大于右侧，使得无人机向右滚动，如图所示。相反，当左侧旋翼转速减小、右侧旋翼转速增加时，无人机将向左滚动。通过精确调控两侧旋翼的转速差异，无人机能够在水平方向上实现稳定的滚动动作。3.横滚运动一、多旋翼无人机飞行原理偏航运动是通过通过调整对角线旋翼的转速来实现的。当顺时针方向旋转的旋翼加速，逆时针方向旋转的旋翼减速。这种转速差异产生的扭矩使无人机向右偏航，如图所示。相反，当逆时针方向旋转的旋翼加速，顺时针方向旋转的旋翼减速，这种转速差异产生的扭矩使无人机向左转动。4.偏航运动一、多旋翼无人机飞行原理二、固定翼无人机飞行原理二、固定翼无人机飞行原理固定翼无人机的俯仰运动指的是无人机围绕其横轴（即与机翼平行的轴）的旋转运动，如左图所示，这种运动使得无人机的机头上下摆动。俯仰运动是通过调整固定翼无人机上的升降舵面来实现的，如右图所示。升降舵面通常位于水平尾翼之上，其动作由飞行控制系统通过伺服机构精确调控。当升降舵面朝上偏转时，气流经过尾翼下表面的路径相较上表面增长。依据连续性定理，尾翼上表面的气流速度相对较低。进而，根据伯努利定律，尾翼上表面所受的压强增大，导致机尾下沉，从而使得无人机抬头并向上爬升。反之，当升降舵面朝下偏转时，尾翼上表面的压强降低，引导无人机低头并向下俯冲。1.俯仰运动固定翼无人机的滚转运动是指无人机围绕其纵轴（即与无人机前进方向垂直的轴）进行的旋转运动，如左图所示。这种运动使得无人机的机翼和机身相对于地面产生一个倾斜角度，从而改变无人机的飞行方向。滚转运动是通过调整固定翼无人机的副翼来实现的，如右图所示。副翼是位于机翼后缘的一组小翼面，通过飞行控制系统的控制，可以独立地上下偏转。当无人机操控人员向左压驾驶杆时，左副翼会向下偏转，而右副翼则向上偏转。这种偏转导致机翼两侧的升力发生变化。左副翼向下偏转增加了左翼的升力，而右副翼向上偏转减小了右翼的升力。由于左右两侧升力的差异，产生了一个向右的滚转力矩，使得飞机机身向右滚转。相反，当操控人员向右压驾驶杆时，右副翼会向下偏转，而左副翼则向上偏转。这种偏转导致右翼升力增大，左翼升力减小，从而产生一个向左的滚转力矩，使飞机机身向左滚转。2.滚转运动二、固定翼无人机飞行原理固定翼无人机的偏航运动指的是无人机在水平面内围绕其立轴（与无人机机身和机翼都垂直的轴）进行的旋转运动，如左图所示，这会导致无人机在飞行方向上发生左右偏移。偏航运动主要由无人机的方向舵面控制，如右图所示。方向舵是位于固定翼无人机尾翼上的一组可动翼面。当无人机操控人员想要使固定翼无人机向右偏航时，会操作方向舵向右偏转。此时，方向舵的右侧面与气流方向形成一定的迎角，产生向右的侧向力。侧向力会对无人机产生一个向右的偏航力矩，使得无人机开始向右偏航。相反，当操控人员想要使无人机向左偏航时，会操作方向舵向左偏转，产生向左的侧向力，从而实现向左的偏航运动。3.偏航运动二、固定翼无人机飞行原理三、垂直起降固定翼无人机飞行原理三、垂直起降固定翼无人机飞行原理垂直起降无人机的垂直起降能力主要依赖于其特有的推进系统，如旋翼或垂直起降喷气发动机。在起飞阶段，无人机的旋翼或发动机倾转至垂直方向，产生向上的推力。这种推力与无人机的重力相平衡，使无人机能够在空中保持稳定的悬停状态。当需要起飞时，无人机的推进系统产生足够的垂直推力，使无人机逐渐上升，其原理与多旋翼无人机完全相同。1.起飞阶段固定翼模式转换阶段是无人机从垂直起降模式切换到水平飞行模式的关键阶段。不同机型的过渡方式各不相同。以复合式无人机为例，当无人机垂直上升到一定高度后，使用遥控器将无人机切换至固定翼模式，这时无人机的前拉电机将启动，与水平方向垂直的旋翼开始旋转，切换过程中飞控将自动保持无人机的飞行高度，直到达到固定翼最小空速，切换成功后多旋翼部分将缓慢关闭，进入纯固定翼模式飞行。下图为复合式无人机固定翼模式转换阶段受力分析图，此时水平方向与垂直方向旋翼同时旋转，为水平飞行做准备。2.固定翼模式转换阶段三、垂直起降固定翼无人机飞行原理在水平飞行阶段，垂直起降无人机的飞行原理与固定翼无人机相似。无人机的固定翼或倾转旋翼提供升力，与重力相平衡，使无人机能够在空中保持稳定的飞行状态。同时，无人机的推进系统提供向前的推力，与空气阻力相平衡，使无人机能够在空中保持稳定的飞行速度。如下图所示为复合式无人机平飞阶段受力分析图。通过调整翼型、翼面积和推力大小等参数，垂直起降无人机可以在水平飞行阶段实现高效地巡航和机动飞行。此外，无人机还可以通过调整飞行姿态和飞行轨迹，实现复杂的飞行任务，如空中悬停、盘旋、爬升等。3.平飞阶段三、垂直起降固定翼无人机飞行原理以复合式无人机为例，在飞行任务执行完毕后，垂直起降固定翼无人机在降高点盘旋降高，无人机机头对准降落点方向，这时使用遥控器将无人机从固定翼模式切换至多旋翼模式，动力系统中多旋翼部分的四个电机将开始运作，前拉电机停止工作，当垂直起降无人机可以达到悬停状态时代表转换成功。切换成功后固定翼部分将缓慢关闭，无人机进入纯多旋翼模式飞行。如下图为复合式无人机多旋翼模式转换阶段受力分析图。4.多旋翼模式转换阶段三、垂直起降固定翼无人机飞行原理与起飞阶段相同，当需要降落时，无人机通过减小垂直推力，逐渐降低高度，最终实现平稳着陆。如下图所示为垂直起降固定翼无人机降落阶段受力分析图。5.降落阶段三、垂直起降固定翼无人机飞行原理四、无人直升机飞行原理四、无人直升机飞行原理单旋翼带尾桨式无人直升机的起飞主要依赖于旋翼产生的升力和尾旋翼产生的反扭力。具体来说，无人直升机的发动机驱动旋翼旋转，当旋翼以一定的速度和角度旋转时，会形成一个向上的气流，从而产生升力，使直升机得以升空。同时，直升机的尾旋翼也会旋转，产生一个反方向的扭矩，用以平衡旋翼产生的扭矩，防止直升机在空中自转，如图所示。这样，无人直升机就能够保持稳定的飞行姿态。1.起降--起飞四、无人直升机飞行原理共轴双旋翼式无人直升机的起飞主要依赖于其上下两个旋翼产生的升力。在起飞前，无人直升机的发动机开始工作，驱动两个旋翼同时旋转。这两个旋翼同轴旋转且旋转方向相反，从而产生向上的升力，使得无人直升机能够克服重力，实现升空。由于两个旋翼的旋转方向相反，它们产生的扭矩相互抵消，从而保持了无人直升机的平衡，如图所示。1.起降--起飞四、无人直升机飞行原理双旋翼式无人直升机与共轴双旋翼式有所不同，它采用两个独立的旋翼系统，通过两个轴心进行驱动。无尾桨双旋翼式无人直升机在起飞阶段，通过旋翼的反向旋转以及控制系统的高精度调控，共同维持其飞行的稳定性与平衡性，如图所示。在外界干扰情况下，无尾桨双旋翼式无人直升机还需要依赖先进的飞行控制系统来维持平衡。该系统通过实时监测无人直升机的飞行状态，包括速度、高度、姿态等参数，并通过精确调整双旋翼的转速、角度和相位差，实现对无人直升机的稳定控制。1.起降--起飞四、无人直升机飞行原理从总体上看，无论是单旋翼带尾桨式、无尾桨共轴双旋翼式还是无尾桨双旋翼式无人直升机，在降落时都依赖于调整旋翼系统的参数来减小升力，以实现平稳、安全的着陆。虽然它们在设计、结构和应用场景上有所不同，但降落的基本原理是相似的。值得注意的是，无尾桨共轴双旋翼式无人直升机在降落时还需特别关注旋翼之间的气流干扰和相互影响，以确保降落过程的安全和稳定。1.起降--降落无人直升机悬停主要依赖于旋翼产生的升力与直升机本身重力之间的平衡。为了保持悬停状态，无人直升机需要精确控制旋翼产生的升力，使其与重力相平衡。在无人机直升机悬停过程中，四周的气流常常成为影响其稳定性的关键因素。为了应对这些气流，无人机直升机采用了一种巧妙的机制：通过调整旋翼的桨盘平面倾斜方向，来抵抗四周的气流，从而保持直升机在空中的水平位置不变。旋翼的桨盘平面是旋翼旋转时形成的虚拟平面，如图所示，它对于无人机直升机的飞行稳定性和操控性至关重要。当四周气流作用于无人机直升机时，会产生使其偏离原有位置的力。为了抵抗这些力，无人机直升机需要调整旋翼的桨盘平面倾斜方向。2.悬停四、无人直升机飞行原理当无人机直升机感受到来自某一方向的气流时，飞行控制系统会迅速作出反应。它会根据气流的方向和强度，计算出需要调整的桨盘平面倾斜角度和方向。然后，通过调整旋翼的角度，使桨盘平面向相反方向倾斜。这样，旋翼产生的升力就会形成一个与气流相反的力，从而抵消气流对无人机直升机的影响，如图所示。这种倾斜调整机制不仅可以应对单一方向的气流，还可以同时应对多个方向的气流。飞行控制系统会根据实时监测到的气流情况，综合调整各个旋翼的桨盘平面倾斜角度和方向，使无人机直升机能够在复杂气流环境下保持稳定悬停。2.悬停四、无人直升机飞行原理单旋翼带尾桨式无人直升机偏航时，飞行控制系统会调整尾桨的桨距与倾斜角度等参数，从而产生一个向左或向右的推力，这个推力会与主旋翼产生的扭矩相互作用，从而产生一个净力矩，使得直升机能够按照指令的方向进行偏航，如图所示。3.偏航四、无人直升机飞行原理无尾桨共轴双旋翼式无人直升机通过独立调整两个旋翼桨距与倾斜角度等参数，使无人机产生偏航力矩，从而实现精准的偏航控制。如图所示，当需要进行向左偏航时，飞行控制系统会精确计算并控制下旋翼螺旋桨的攻角增加，同时相应地减小上旋翼螺旋桨的攻角。这种调整会使得无人机产生一个逆时针方向的反扭矩，从而驱动无人机向左偏航。反之，当需要向右偏航时，控制系统会调整螺旋桨的角度，使上旋翼螺旋桨攻角增加，而下旋翼螺旋桨攻角减小，从而产生顺时针方向的反扭矩，实现右偏航。3.偏航四、无人直升机飞行原理无尾桨双旋翼式无人直升机同样依赖于两个旋翼的相互作用来实现偏航。如图所示，当需要进行向左偏航时，飞行控制系统会精确计算并控制前旋翼螺旋桨的攻角增加，同时相应地减小后旋翼螺旋桨的攻角。这种调整会使得无人机产生一个逆时针方向的反扭矩，从而驱动无人机向左偏航。反之，实现右偏航。3.偏航四、无人直升机飞行原理在无人直升机水平飞行中，可通过控制桨盘平面向前、后、左、右等各方向倾斜就可以改变旋翼的拉力方向，从而实现直升机向前后左右不同方向飞行，倾斜盘如图所示。当需要实现水平飞行中的前后左右移动时，