6.第二章无人机空气动力学基础(第三节)

1、LOGO1空气动力学与飞行原理第二章：无人机空气动力学基础第三节：机翼空气动力学2机翼的主要功用是产生升力，从而克服重力，维持无人机在空中飞行，同时机翼上的副翼、襟翼等操纵面也起到操纵作用。从二维的翼型到三维的机翼，对空气动力有较大影响的机翼参数主要是翼载荷、展弦比和机翼后掠角。机翼的主要几何参数如图所示，主要包括根弦长、梢弦长、展长、前缘后掠角、1/4弦线位置后掠角等。机翼空气动力学机翼几何参数3常见的机翼平面形状有：平直机翼、后掠机翼和三角翼，其平面形状如图所示机翼空气动力学机翼平面形状4翼面负载展弦比后掠角根梢比目录页壹5翼面负载也叫翼载荷，是机翼每单位面积所承担的重量（单位是克/平方厘

2、米），它是无人机性能的关键指标之一。翼面负载越大表明相同机翼面积要负担更大的重量，此时无人机的滑跑距离越长，抵抗突风干扰的能力也越强。同时，它也直接影响无人机定直平飞飞行速度，翼面负载壹2LmgvS C它表明在相同翼型下，翼载荷越大，则定直平飞速度越快。从另一个方面来看minmax2LmgvS C即，最小平飞速度为机翼接近失速迎角飞行。在翼型失速迎角一定的情况下，翼载荷越大，最小平飞速度也越大。6下面是典型的无人机的翼面负载。翼面负载壹无人机机型起飞重量翼面积翼载荷全球鹰1039450.17207.2长空-120608.55240.9捕食者85011.4574.2徘徊者2503.4173.3A

3、SN-1041401.8575.6开拓者2182.490.8Hermes4506.965.2搜索者2404.42754.27翼面负载展弦比后掠角根梢比目录贰8展弦比定义为翼展L除以平均翼弦b(=L/b)。展弦比对机翼升力的影响为：当机翼产生升力时，下表面压强向上，上表面压强向下，且下表面压强值大于上表面。则在翼尖处，下表面的高压气流流向上表面，减小了翼尖附近的升力。同时，如上节所述，有限展长机翼也是诱导阻力产生的重要来源。因此，展弦比越大，则翼尖效应对机翼升力的影响越小。理想情况是和翼型升阻特性一样。对于低速和亚声速无人机，机翼展弦比越大，则升力线斜率和升阻比都较大。展弦比的另外一个特性是翼尖

4、涡减小了翼尖处的有效迎角，增大了翼尖处的失速迎角。因此，在机翼展向各翼型扭转角相同的情况下，翼根比翼尖较易失速，这也是要设计机翼扭转的作用。一般翼尖剖面翼型与翼根剖面翼型的扭转角在3度左右。另外，相同情况下，展弦比越大则机翼滚转方向转动惯量越大，滚转机动性越差。展弦比贰翼尖涡产生原因9增大展弦比的目的是减小气流展向流动导致的翼尖涡，从而减小诱导阻力。在展弦比一定的情况下，可以对翼稍进行处理从而减小诱导阻力，如:（1）把翼端整成圆弧状，让涡流离开翼端。（2）把下翼面往上翻卷，让涡流尽量离开翼端。（3）翼梢小翼：目前最流行的作法，大部分小翼是往上伸，但也有些是往下伸的，小翼的作用除了隔离翼端上下的

5、空气减少诱导阻力外，因安装的角度关系还可提供一些向前的分力。这是无人机最常见的方式。展弦比贰翼梢小翼整形210翼面负载展弦比后掠角根梢比目录叁11后掠角是指机翼与机身轴线的垂线之间的夹角。后掠角又包括前缘后掠角（机翼前缘与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用0表示）、后缘后掠角（机翼后缘与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用1表示）及1/4弦线后掠角（机翼1/4弦线与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用1/4表示）。后掠角翼梢后掠角示意图叁12低速无人机上广泛采用大展弦比直机翼。高速无人机上广泛采用各种展弦比和各种平面形状的后掠翼。后掠角对空气动力特性的影响主要为：有效升力减小，流线呈现“S”形，气动压强

6、分布发生改变，呈现“翼根效应”和“翼尖效应”。主要原因如下：设无限翼展斜置机翼的后掠角为，这时可将来流速度V分解成两个分速：一个是垂直于前缘的法向分速Vn=Vcos，另一个是平行于前缘的展向分速Vt=Vsin。展向分速Vt不影响机翼表面的压强分布，因而它对机翼的升力没有贡献，而只有法向分速流经机翼时才会产生升力，这与来流以流速Vcos流过平直机翼一样，因此，无限展长斜置机翼的空气动力特性仅取决于法向分量Vn，来流速度有所降低，导致升力减小。后掠角后掠角影响叁13展向分速Vt虽然对机翼的升力特性不发生影响，但它会使气流流线在机翼表面发生改变。气流流经机翼时，展向分速Vt是个常量，法向分速Vn变化

7、如下： 气流从远前方流向机翼前缘时，其法向分速Vn受到阻滞而越来越小，致使气流的合速向左偏斜。当气流从前缘流向最小压强点时，法向分速又逐渐增大，而展向分速Vt仍保持不变，所以气流的合速变大并向右偏转。当气流流过最小压强点后，法向分速又逐渐减小，致使气流的合速又向左偏转，因此，气流流经斜置翼时，流线就呈现“S”形。叁后掠角 14同时，后掠翼由于有翼根和翼尖的存在，会引起“翼根效应”和“翼尖效应”，这将使后掠翼的气动特性和无限翼展斜置翼有所不同。从图中可以看出，在翼根上表面的前段，流线偏离对称面，流管扩张变粗，而在后段流线向内偏斜，流管收缩变细。在低速或亚声速时，由于前段流管变粗，流速减慢，压强升

8、高（吸力变小），而后段流管变细，流速加快，压强降低（吸力增大）。至于翼尖部分，情况正好相反，在翼剖面前段吸力变大，后段吸力变小。因此，在翼根和翼尖处，沿弦向的压强系数分布将与半翼展中间部分的压强系数分布不同后掠角 翼根效应和翼尖效应叁15后掠机翼的“翼根效应”与“翼尖效应”引起翼弦的压强分布发生变化，这种变化在机翼上表面前段较为明显。由于上表面前段对升力贡献较大，所以“翼根效应”使翼根部分的升力系数减小，而“翼尖效应”使翼尖部分的升力系数增大。后掠机翼剖面升力系数沿展向的分布如图所示。这对无人机结构设计产生一定影响。即后掠翼无人机翼梢处气动力增大，需要适当加强梢部结构强度。后掠角叁后掠机翼升力分布16翼面负载展弦比后掠角根梢比目录肆17机翼根梢比定义为=b0/b1（机翼根弦长与梢弦长的比值），长直机翼根梢比为1，大部分低速无人机根梢比在1-3之间。后掠机翼