无人机操控技术课件第3章飞行原理与性能第3节飞行性能

1、目录01 空气动力学基础02 飞行原理P04 P24 03 飞行性能P49 04 无人机发射回收方式P88 05 多旋翼基础知识P98 3.1 稳定性 无人机的飞行性能主要是指稳定性、操纵性以及其他性能。 飞机的稳定性（安定性），是指在飞机受到扰动后，不经飞行员操纵，能恢复到受扰动前的原始状态，原来平衡状态的特性。如果能恢复，则称飞机是稳定的，反之则称飞机是不稳定的。3.1 稳定性 飞机的稳定性包括：纵向稳定、横向稳定、侧向（航向）稳定。3.1.1 机体坐标系 原点(0点)： 位于飞行器的重心； 纵轴(0X轴)：位于飞行器参考平面内平行于机身轴线并 指向飞行器前方； 横轴(0Z轴)：垂直于飞行

2、器参考面并指向飞行器右方； 立轴(0Y轴)：在参考面内垂直于XOY平面，指向飞行器下方。 不论是固定翼、直升机、还是多旋翼无人机，研究其稳定性的时候首先要建立机体坐标系。3.1.2 姿态角 在飞机飞行时，我们可以通过判断飞行姿态角来分析飞机都发生了哪些运动，进而作出与之相对应的操作。 描述飞机在空中姿态的姿态角有：滚转角（pitch）偏航角（yaw）俯仰角（roll） 机体坐标系纵轴与水平面的夹角。抬头时，俯仰角为正，否则为负。 机体坐标系立轴与通过机体纵轴的铅垂面间的夹角，机体向右滚为正，反之为负。 机体坐标系纵轴与垂直面的夹角，机头右偏航为正，反之为负。3.1.3 纵向稳定性 飞机纵向稳定

3、性是指飞机受到上下对流干扰后产生绕横轴转动，扰动消失后自动恢复原飞行姿态。 飞机靠水平尾翼和机翼来保证纵向稳定性。其中，飞机纵向阻尼力矩主要由水平尾翼产生的。3.1.3 纵向稳定性 飞机纵向稳定性主要取决于飞机重心的位置，飞机重心位于焦点前面，则飞机纵向稳定。 重心的位置：用重心到平均气动力弦前缘的距离和平均气动力弦长之比的百分数来表示。 焦点：当飞机迎角变化时，在机翼和尾翼上都会产生一定的附加升力，这个附加升力合力作用点称为飞机的焦点。3.1.3 纵向稳定性 静稳定裕度：重心与焦点之间的距离被定义为飞机的静稳定裕度。如果重心靠后，静稳定裕度减小，飞机的纵向稳定性减弱。 静稳定裕度 配平：重心

4、沿纵轴的前后位置，重心的移动将改变静稳定裕度，甚至使飞机不稳定。可以通过增加或减少头部或尾部配置调整飞机的稳定性。3.1.4 航向稳定性 飞机纵向稳定性是指飞机受到侧风干扰后产生绕立轴转动，扰动消失后自动恢复原飞行姿态。飞机主要靠垂直尾翼产生航向稳定力矩来保证航向稳定性。 影响飞机方向稳定力矩的因素主要是飞机迎角，机身、垂尾面积和重心位置。3.1.4 航向稳定性 空气从飞机侧方吹来，飞机产生侧滑，相对气流从左前方吹来叫左侧滑，机头右偏，对于具有航向稳定性的飞机，向左侧滑时垂直尾翼产生的阻尼力矩将使机头将向左转。3.1.5 横向稳定性 飞机横向稳定性是指飞机受到干扰后产生绕纵轴转动，扰动消失后自

5、动恢复原飞行姿态。飞机主要靠机翼产生横向稳定力矩来保证横向稳定性。 影响飞机横向稳定力矩的因素主要是机翼上反角、机翼后掠角和垂直尾翼。3.1.5 横向稳定性 上反角：机翼的底面同垂直于飞机立轴的平面之间的夹角。 上反角起到横向稳定的作用。 当一阵风吹到右侧机翼上，飞机右翼抬起，左翼下沉，向左倾斜，由于存在上反角，左翼有效迎角增大，升力增大，形成向右滚转力矩，力图减小倾斜。3.1.5 横向稳定性 后掠角作用：后掠角越大，横向稳定作用也越大。 当飞机受扰动向右倾斜，由于后掠角的存在，使两侧机翼上的有效速度大小不等，右侧机翼产生升力大于左侧机翼产生升力，形成滚转力矩，力图减小倾斜。 垂直尾翼横向稳定

6、作用：出现侧滑后，垂直尾翼上产生的附加侧向力作用点位于飞机重心上方，因而相对于重心也形成恢复力矩。3.1.6 航向与横向稳定性的耦合 飞机的纵向与航向、横向稳定性之间互相独立；航向与横向稳定性是紧密联系和相互影响的，因此通常合称为“横侧稳定”。故飞机的横向和航向稳定性之间必须匹配适当。 如果匹配不当，飞机将可能出现“螺旋不稳定”或“荷兰滚不稳定”现象。3.1.6 航向与横向稳定性的耦合 螺旋（尾旋）：飞机失速后机翼自转，飞机以小半径的圆周盘旋下降运动。原因：飞机横向稳定性过弱，航向稳定性过强，产生螺旋不稳定。改出：立即向螺旋反方向打舵到底制止滚转。3.1.6 航向与横向稳定性的耦合 荷兰滚（飘

7、摆） ：非指令的时而左滚，时而右滚，同时伴随机头时而左偏，时而右偏的现象。 原因：飞机的横向稳定性过强，而航向稳定性相对过弱，飞机容易出现荷兰滚不稳定。3.2 操纵性 飞机的操纵是指驾驶员通过飞机的操纵机构来改变飞机的飞行状态。 飞机的操纵性则指飞机对操纵的反应特性，又称飞机的操纵品质。飞机操纵主要通过驾驶杆和脚蹬等操纵机构偏转飞机的三个主操纵面-升降舵、方向舵和副翼。 飞机的操纵包括俯仰操纵、方向操纵和滚转操纵。3.2.1 俯仰操纵使飞机绕横轴做俯仰（纵向）运动的操纵叫俯仰操纵，也称纵向操纵。通过推、拉驾驶杆，使飞机升降舵向下或向上偏转，产生俯仰力矩，从而使飞机低头或抬头做俯仰运动。焦点与重

8、心的关系影响纵向操纵性，若焦点在重心之后，向后移焦点，飞机的操纵性减弱。3.2.2 方向操纵 使飞机绕立轴做偏航运动的操纵叫方向操纵，也称航向操纵。 通过蹬左或右脚蹬，使飞机方向舵向左或向右偏转，产生偏航力矩，从而使飞机向左或向右做偏航运动。3.2.3 滚转操纵 使飞机绕纵轴做滚转（倾侧）运动的操纵叫滚转操纵。 通过蹬左压或右压操纵杆，使飞机方向舵左、右一次向下另一侧向上偏转，产生滚转力矩，从而使飞机向左或向右做滚转运动。3.2.4 辅助操纵机构 固定翼常规无人机飞行辅助操纵面有缝翼，襟翼，调整（扰流）片。3.2.4 辅助操纵机构襟翼 一般的襟翼位于机翼后缘，靠近机身，在副翼侧，放下襟翼升力增

9、大，失速速度减小，阻力增大，飞行速度减小。 利用增大襟翼弯度来提高机翼升力系数，机翼表面最低压力点前移，减小临界迎角。 起飞阶段，襟翼只放下较小的角度，增加升力；下降阶段，放下最大角度，实现较小的下降速度，较大的下降角。起飞时下降时巡航时3.2.4 辅助操纵机构前缘缝翼 安装在机翼前缘的一段或极端狭长小翼面，当前缘缝翼打开时，它与基本机翼前缘表面形成一道缝隙，下翼面的高压气流通过缝翼加速流向上翼面，增大上翼面附面层气流速度，消除了分离漩涡，延缓气流分离，避免大迎角下失速，升力系数得到提高，增大飞机临界迎角。所以前缘缝翼一般在大迎角，特别是接近或超过基本机翼临界迎角时才使用。3.2.4 辅助操纵

10、机构扰流片 飞机扰流板作用主要是增加在地面或飞行中的气动阻力，减速；还可以辅助飞机转弯，当飞机左盘旋时，操纵左机翼飞行扰流板向上打开，右机翼飞行扰流板不动，右翼升力大于左翼，实现飞机左转。3.3 飞行性能 无人机飞行性能是描述飞机质心运动规律的性能，包括飞机的飞行速度、飞行高度、航程、航时、起飞和着陆性能等。与有人机不同的是，无人机几乎涉及不到筋斗、盘旋、战斗转弯等机动性能，所以不加以讨论。3.3 飞行性能高度理论静升限：飞机能作水平直线飞行的最大高度。 实用静升限：飞机最大爬升率等于0.5m/s（亚声速飞机）或5m/s（超声速飞机）所对应的飞行高度。理论升限大于实用升限 ！3.3 飞行性能高

11、度爬升率：单位时间内飞机所上升的垂直高度。爬升角：飞机上升轨迹与水平线之间的夹角。 爬升率、爬升角反映了飞机改变高度的能力，它们的大小主要取决于飞机的剩余推力和飞机的重量。3.3 飞行性能速度 最大飞行速度：飞机在一定高度上做水平直线飞行时，在一定飞行距离内（3km），发动机以最大推力工作所能达到的最大飞行速度。 最小飞行速度：飞机在一定高度，能产生足够升力平衡重力，维持水平直线飞行的最小速度。又称平飞所需速度。 平飞有利速度：能够获得平飞航时最长的速度。 平飞远航速度：能够获得平飞航程最长的速度。 巡航飞行速度：发动机每公里消耗燃油量最小情况下的飞行速度。3.3 飞行性能航程 最大航程：在起

12、飞后不再加油的情况下，飞机以巡航速度所能达到的最远距离。 飞机航程的长短主要取决于燃油量。3.4 起飞与着陆性能 固定翼无人机的起降阶段是需要专门进行训练的，固定翼的起降航线也叫五边航线。起降航线是固定翼驾驶员最基本的飞行训练科目。一(离场边)二(侧风边)三(下风边)四(基线边)五(进近边)3.4.1 起飞性能 飞机的起飞过程包括起飞滑跑和爬升两个主要阶段，飞机离地速度越小，滑跑距离越短，飞机的起飞性能越好。 减小起飞距离的办法：增升装置（襟翼）、增加推力等。3.4.2 着陆性能 飞机着陆的过程包括下滑，拉平，平飘，接地，着陆滑跑五个阶段。 着陆距离由着陆下滑距离和着陆滑跑距离组成。下滑距离与下滑角（飞行轨迹与水平面的夹角）、下滑高度有关。3.5 机动性能过载 过载具有方向性，与物体运动方向一致或相反的力叫做切向力，与物体运动方向一致或相反的力与物体质量的比值叫切向过载。与物体运动方向垂直的力叫法向力，与物体运动方向垂直的力与物体质量的比值叫法向过载。所以，飞机的推力是切向力，阻力也是切向力。重力有时是切向力，有时是法向力，当飞机垂直上升或下降时它是切向力，当飞机平飞时，它是法向力。飞机的升力总是法向力。3.5 机动性能盘旋盘旋：保持飞行高度不变，飞机做圆周飞行。转弯半径：重要的机动