无人基础概论 3

1第3章

无人机飞行原理流体基本特性1.流体的可压缩性、声速c、黏性和传热性（1）流体的可压缩性对流体施加压力，流体的体积会发生变化。在一定温度条件下，具有一定质量流体的体积或密度随压力变化而改变的特性，称为可压缩性(或称弹性)。（2）流体的声速c声速c是指声波在流体中传播的速度，单位是m/s。声波是指由振动的声源（如振动的鼓膜）产生的疏密波，或称为小扰动波（压缩与膨胀相间的波）。无人机或物体在空气中运动时，在围绕它的空气中将产生一直振动着的疏密波（小扰动波），波的传播速度也是声速。2第3章

无人机飞行原理1.流体的可压缩性、声速c、黏性和传热性（3）流体的黏性一般情况下，摩擦有外摩擦和内摩擦两种。一个固体在另一个固体上滑动时产生的摩擦叫外摩擦，而同一种流体相邻流动层间相对滑动时产生的摩擦叫内摩擦，也叫做流体的黏性。（4）流体的传热性流体的传热性也是流体的一个重要物理属性。当流体中沿某一方向存在着温度梯度时，热量就会由温度高的地方传向温度低的地方，这种性质称为流体的传热性。流体基本特性第3章

无人机飞行原理流体基本特性2.来流马赫数和来流雷诺数来流马赫数Ma∞的定义为式中，v∞是远前方来流的速度（即飞行速度）；c∞是飞行高度上大气中的声速。来流马赫数Ma∞的大小可以作为判断空气受到压缩程度的指标。Ma∞越大，飞行引起的空气受到压缩的程度就越大；反之则越小。第3章

无人机飞行原理流体基本特性2.来流马赫数和来流雷诺数当Ma∞≤0.3时，空气受到压缩的程度很小，称为低速飞行，可以不考虑空气的可压缩性影响，即把空气当作不可压缩的流体来进行分析。当0.3<Ma∞≤0.85时，称为亚声速飞行；当0.85<Ma∞≤1.3时，称为跨声速飞行；当Ma∞≥l.3时，称为超声速飞行；当Ma∞≥5.0时，称为高超声速飞行。除了低速飞行外，研究无人机的空气动力大小都必须考虑空气的可压缩性影响，特别是进入跨声速飞行后，因为空气的可压缩性会产生一种称为激波的独特流动现象，将对无人机的空气动力和外形设计带来重大影响。5第3章

无人机飞行原理3.相对运动原理

物体在静止的空气中运动或气流流过静止的物体，如果两者相对速度相等物体上所受的空气动力完全相等，这个原理就叫做“相对运动原理”。作用在无人机上的空气动力取决于无人机和空气之间的相对运动情况，而与观察、研究时所选用的参考坐标无关。也就是说，无人机以速度v在平静的空气中飞行时，作用在无人机上的空气动力与远方空气以速度v流过静止不动的无人机时所产生的空气动力完全相同。这就是相对运动原理在空气动力学中的应用。流体基本特性6第3章

无人机飞行原理1.连续性定理流体的连续性原理指出:当流体稳定连续地流过一个粗细不等的管子时，如图所示，由于管子中任一部分的流体都不能中断或堆积起来，因此，在同一时间内，流进任一切面的流体质量可见，连续性原理实质上是质量守恒定律在流体中的应用。

气流流动的基本规律流体连续性原理示意图7第3章

无人机飞行原理1.连续性定理根据连续性原理，空气流过管子任意两切面的流量应该相等，即

气流流动的基本规律上式称为流体的连续性方程。从式中可以看出，气流速度的大小是由切面面积和密度两个因素决定的。8第3章

无人机飞行原理2.伯努利定理当空气稳定连续地流过一条流管时，流速快的地方压力小，流速慢的地方压力大。这就是伯努利定理的基本内容。伯努利定理的数学表达式即伯努利方程为：

气流流动的基本规律9第3章

无人机飞行原理3.地面效应地面效应是一种使飞行器诱导阻力减小，同时能获得比空中飞行更高升阻比的流体力学效应：当运动的飞行器掉到距地面（或水面）很近时，整个飞行器体的上下压力差增大，升力会陡然增加。

气流流动的基本规律10第3章

无人机飞行原理1.升力的产生作用在无人机上的空气动力包括升力和阻力两部分。升力主要靠机翼来产生，并用来克服无人机自身的重力，而阻力要靠发动机产生的推力来平衡，这样才能保证无人机在空中水平等速直线飞行。

作用在无人机上的空气动力1-空气动力作用点；2-前缘；3-后缘；4-翼弦

翼型和作用在翼型上的空气动力11第3章

无人机飞行原理1.升力的产生随着迎角的增大，升力也会随之增大，但当迎角增大到一定程度时，气流就会从机翼前缘开始分离，尾部会出现很大的涡流区，这时，升力会突然下降，而阻力却迅速增大，这种现象称为“失速”，失速刚刚出现时的迎角叫“临界迎角”。无人机不应以接近或大于临界迎角的状态飞行，此时，会使无人机产生失速，甚至造成飞行事故。

作用在无人机上的空气动力12第3章

无人机飞行原理2.影响无人机升力的因素（1）机翼面积的影响（2）相对速度的影响（3）空气密度的影响（4）机翼剖面形状和迎角的影响

作用在无人机上的空气动力升力公式为：13第3章

无人机飞行原理3.增升装置为了使无人机在尽可能小的速度下产生足够的升力，提高无人机的起飞和着陆性能，需要采用“增升装置”。增升原则：（1）改变机翼剖面形状，增大机翼弯度；（2）增大机翼面积；（3）改变气流的流动状态，控制机翼上的附面层，延缓气流分离。

作用在无人机上的空气动力作用在无人机上的空气动力第3章

无人机飞行原理三种典型的后缘式襟翼a）简单式襟翼b）富勒式襟翼c）双缝式襟翼3.增升装置15第3章

无人机飞行原理4.

阻力空气与无人机作相对运动时，除产生升力外，还要产生阻碍无人机前进的阻力。无人机阻力按其产生原因的不同，分为摩擦阻力、压差阻力、干扰阻力、诱导阻力。（1）摩擦阻力摩擦阻力是由于大气的粘性而产生的。摩擦阻力的大小，取决于空气的粘性、无人机表面的状况、附面层中气流的流动情况和同气流接触的无人机表面积的大小。空气的粘性越大，无人机表面越粗糙，无人机的表面积越大，则摩擦阻力越大。为了减小摩擦阻力，应在这些方面采取必要的措施。

作用在无人机上的空气动力16第3章

无人机飞行原理4.

阻力（2）压差阻力翼型前后就形成了一个压强差，阻碍无人机的向前飞行，因此，把这个由前后压强差形成的阻力叫做“压差阻力”。压差阻力与物体的迎风面积有很大关系，物体的迎风面积越大，压差阻力也越大。物体的形状对压差阻力也有很大影响。为了减小无人机的压差阻力，应尽量减小无人机的最大迎风面积，并对无人机的各部件进行整流，做成流线形。

作用在无人机上的空气动力17第3章

无人机飞行原理4.

阻力（3）诱导阻力诱导阻力是伴随着升力而产生的，由升力诱导而产生的阻力叫“诱导阻力”。诱导阻力与机翼的平面形状、翼剖面形状、展弦比等有关。可以通过增大展弦比，选择适当的平面形状。

作用在无人机上的空气动力

诱导阻力的产生18第3章

无人机飞行原理4.

阻力（4）干扰阻力所谓“干扰阻力”就是无人机各部件组合到一起后由于气流的相互干扰而产生的一种额外阻力。干扰阻力和无人机不同部件之间的相对位置有关，因此，在设计时要妥善地考虑和安排各部件的相对位置，必要时在这些部件之间加装流线形的整流片，使连接处圆滑过渡，尽量减小旋涡的产生。

作用在无人机上的空气动力

干扰阻力的产生19第3章

无人机飞行原理1.多旋翼无人机结构形式旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图

所示。

无人机的稳定性和操纵性20第3章

无人机飞行原理2.工作原理

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

垂直运动（1）垂直运动

无人机的稳定性和操纵性21第3章

无人机飞行原理2.工作原理

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

垂直运动（2）俯仰运动

无人机的稳定性和操纵性22第3章

无人机飞行原理2.工作原理

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

垂直运