《无人机测绘技能训练模块》课件-模块3：无人机飞行原理

无人机飞行原理无人机测绘技术DRONESUNMANNEDAERIALVEHICLE(UAV)CONTENTS目录01空气动力学基础02升力与阻力03飞行中的受力04旋翼机飞行原理DRONES空气动力学基础01空气动力学基础国际标准大气目的：为了准确描述飞行器的飞行性能，就必须建立一个统一的标准，即标准大气。使用国际标准大气压，其目的是为了使空中飞行的各航空器有统一的高度标准,从而避免因高度基准不同而导致的垂直间隔不够而出现事故。国际标准大气的规定：气温T=15℃压强p=一个标准大气压（即P0=1013.25hPa=760mmHg=1个大气压）密度ρ=1.225kg/m3³音速a=341m/s空气动力学基础速度与加速度速度：v定义：物体在单位时间内发生的位移。公式：说明：物理意义：是描述物体运动快慢的量。空气动力学基础速度与加速度加速度：α定义：速度变化量与发生这一变化所用时间的比值。公式：说明：

V2—末速度，V1—初速度，ΔV＝V2－V1是速度的变化量物理意义：表示速度变化快慢的物理量空气动力学基础速度与加速度的关系PROJECTBACKGROUNDa与V关系若a与V方向相同，表示是加速运动若a与V方向相反，表示是减速运动空气动力学基础牛顿三大运动定律一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。物体都有维持静止和作匀速直线运动的趋势，物体的这种性质称为惯性。所以牛顿第一定律也称为惯性定律。01物体在受到合外力的作用会产生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小与合外力的大小成正比，与物体的质量成反比。02两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，并且作用在同一直线上。03F合=ma空气动力学基础力是改变物体运动状态的原因。力的含义力的作用效果力的本质力使物体获得加速度。力是物体间的相互作用。空气动力学基础空气动力是空气相对于飞机运动时产生的，要学习和研究飞机的升力和阻力，首先要研究空气流动的基本规律。空气流的描述流体模型化：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。绝热流体，不考虑流体温度的变化。模型化之后的空气，我们可以称之为理想气体。空气动力学基础假设条件:不可压缩,无黏流体的一维定常流动连续性定理流体流过流管时，在同一时间流过流管任意截面的流体质量相等。质量守恒定律是连续性定理的基础。空气动力学基础单位时间流过截面1的流体体积为单位时间流过截面1的流体质量为单位时间流过截面2的流体质量为由质量守恒定律可得：低速，空气不可压，ρ=C

VA=

CA大←→V小A小←→V大空气流过一流管时，流速大小与截面积成反比。空气动力学基础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高楼大厦之间的对流通常比空旷地带大日常的生活中的连续性定理空气动力学基础伯努利方程假设条件:不可压缩,无黏流体的一维定常流动Ｐ—静压,流动或静止空气垂直作用于物体表面的压强

；—动压,单位体积空气的动能。伯努利定律丹尼尔.伯努利16541724年提出瑞士科学家

空气密度是常数（密度不会改变），压力和速度因此就变成了变量，如果一个增加，另一个就减少。重要结论V大→

P小，V小→

P大。空气动力学基础向两张纸中间吹气，两张是要向中间靠拢的，因为两张纸之外的空气流速没有变化，但两张之间的气流速度加大了，这时候两张纸之间的压强就变小了，纸外面的大气压就压着这两张纸向中间运动。日常的生活中的伯努利定律高速行驶的汽车中，把车窗打开，车里的静压大于车外，车里靠近车窗的小物体会飞出窗外。空气动力学基础连续性定理和联合伯努利定律相结合A小~V大~P小A大~V小~P大DRONES升力与阻力02升力与阻力翼型平行于飞机对称面的翼剖面翼型机翼的效率受翼型的影响极大，在一定程度上是受翼型弯度和厚度的影响。

升力与阻力a.弓形—早期b.平凸—初教六c.双凸—运五、运七、教八d.对称—歼七、轰五e.双弧—超音速飞机f.菱形—超音速飞机基本翼型初教六轰五升力与阻力机翼的平面形状升力与阻力翼型参数中弧线：翼型上下表面内切圆圆心的光滑连线。翼弦：前缘与后缘的连线。前缘：中弧线的前端点。后缘：中弧线的后端点。升力与阻力1.弦长（几何弦长）b升力与阻力2.相对弯度翼型中弧线与翼弦之间的距离叫弧高或弯度

。相对弯度的大小表示翼型的不对称程度。现代飞机的翼型，相对弯度约为0～3％。最大弧高

与弦长的比值，叫相对弯度。升力与阻力3、相对厚度（

）(厚弦比)上下翼面在垂直于翼弦方向的距离叫翼型厚度（

）。现代飞机的翼型，相对厚度大约为3％～16％。翼型最大厚度

与弦长的比值，叫翼型的相对厚度。升力与阻力4、展弦比(λ)展长与平均弦长之比展弦比的计算：用翼展的平方除以翼面积。初教六飞机λ＝６；教八飞机λ＝5.448，歼教五飞机λ=4.08。

升力与阻力越是外观细长的机翼，其展弦比越大；同理看起来短宽的机翼，其展弦比的数值较小。短宽的机翼适合高速，长航时无人机多采用大展弦比。在动物界，需要进行长距离飞行或长时间翱翔的鸟类，如信天翁和鹰，通常具有大展弦比的翅膀。相比之下，需要良好机动性的鸟类，其翅膀的展弦比较小。升力与阻力升力垂直于飞行速度方向，它将飞机支托在空中，克服飞机受到的重力影响，使其自由翱翔。升力重力拉力阻力LiftPullWeightDrag升力与阻力前方来流被机翼分为了两部分，一部分从上表面流过，一部分从下表面流过。由连续性定理可知，流过机翼上表面的气流，比流过下表面的气流的速度更快。升力来源升力与阻力上下表面出现的压力差，在垂直于相对气流方向的分量，就是升力。升力与阻力升力公式：—飞机的升力系数—飞机的飞行动压—机翼的面积。注意：升力的方向总是与相对气流方向垂直。升力与阻力升力公式：

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。

迎角翼弦迎角：飞机机翼的翼弦与相对气流之间的夹角在一定范围内，迎角越大，升力系数也越大。但是，当迎角超过某一数值，升力系数反而开始减小，当超过临界迎角时，飞机会发生失速。升力与阻力（a）翼型（1）相对气流动压（V）（2）机翼面积影响升力的因素:＞＞（3）升力系数升力与阻力（b）升力系数随迎角的变化规律——升力系数曲线1、规律＜：↑→↑＞：↑→↓=

：=升力与阻力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。升力重力拉力阻力LiftPullWeightDrag升力与阻力飞机的所有部件，包括机翼、尾翼、机身以及每一个暴露在空气中的部件都会产生阻力。即使是在发动机罩、机轮整流罩里面的部件，只要有空气流过，就会产生阻力。升力与阻力阻力公式：—飞机的阻力系数—飞机的飞行动压—机翼的面积。影响阻力大小的因素动压、机翼面积、迎角、飞机的形状、展弦比升力与阻力4升阻比TDWL升阻比—飞机空气动力品质参数飞机飞行时升力与阻力之比，也即升力系数与阻力系数之比简称升阻比，是表示飞机气动效率的一个重要参数。如果飞机以最大升阻比速度下滑，下降同样高度，前进距离最长。升力与阻力

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)升力粘性阻力的分类升力与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。这个反作用力与飞行方向相反，称为摩擦阻力。摩擦阻力升力与阻力影响摩擦阻力的因素紊流附面层的摩擦阻力比层流附面层大。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。

摩擦阻力的大小与附面层的类型密切相关，此外还取决于空气与飞机的接触面积和飞机的表面状况。升力与阻力压差阻力是由处于流动空气中的物体的前后的压力差，导致气流附面层分离，从而产生的阻力。压差阻力升力与阻力影响压差阻力的因素

总的来说，飞机压差阻力与迎风面积、形状和迎角有关。迎风面积大，压差阻力大。迎角越大，压差阻力也越大。压差阻力在飞机总阻力构成中所占比例较小。升力与阻力飞机的各个部件，如机翼、机身、尾翼的单独阻力之和小于把它们组合成一个整体所产生的阻力，这种由于各部件气流之间的相互干扰而产生的额外阻力，称为干扰阻力。干扰阻力升力与阻力干扰阻力的消除飞机各部件之间的平滑过渡和整流包皮，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。升力与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。诱导阻力DRONES飞行中的受力03飞行中的受力多旋翼飞机飞行匀速上升阶段，飞机所受重力与升力谁大？固定翼飞机匀速爬升阶段，飞机所受中重力与升力谁大？飞行中的受力1飞机平飞的作用力

飞机在空中稳定直线飞行时,受到四个力的作用：

升力(L)、重力(W)、拉力(P)、阻力(D)升力等于重力，高度不变

拉力等于阻力，速度不变升力拉力重力阻力飞行中的受力2飞机上升的作用力

飞机在空中稳定上升时,受到四个力的作用：升力(L)、重力(W)、拉力(P)、阻力(D)。通常把重力再进行分解。升力重力W上升角阻力推力分析：同速度上升时，上升拉力大于平飞拉力；上升升力小于平飞升力。飞行中的受力多旋翼飞机飞行匀速上升阶段，飞机所受重力与升力谁大？固定翼飞机匀速爬升阶段，飞机所受中重力与升力谁大？升力大重力大固定翼飞机在匀速爬升阶段，飞机所受升力等于重力的一个分量，所以重力大。多旋翼飞机匀速上升阶段，飞机所受的升力大，因为飞机在垂直上升，升力要大于重力。飞行中的受力3飞机下降时的作用力飞机在空中稳定下降时,受到四个力的作用：升力(L)重力(W)拉力(P)阻力(D)通常把重力再进行分解。LRDWW1W2Pθθ飞行中的受力带油门下降时的作用力G1水平线Vθ下G2GLPD闭油门下降时的作用力G1水平线Vθ下G2GLD下降运动方程飞行中的受力转弯运动方程4飞机转弯时的作用力飞机和任何其他物体运动类似，需要一个侧向力使他转弯。在一个正常的转弯中，这个力是通过飞机的倾斜得到的。转弯时，升力被分解为两个分力，竖直作用的分力和重力成对，称为垂直升力分量；另一个是水平指向转弯的中心，称为水平升力分量，也叫向心力，把飞机从直线航迹上拉动到转弯航迹上。LcosγLsinγGLγ飞行中的受力水平转弯是飞机在水平面内的一种机动飞行（航向角改变）。小于360度的叫水平转弯。大于360度的叫盘旋。小坡度转弯：坡度小于20度中坡度转弯：坡度在20~45度大坡度转弯：坡度大于45度在实际飞行中，飞行员会根据天气和气流情况，控制位于机翼上的操纵面和垂直尾翼、水平尾翼等舵面，来实现飞机的各种姿态变化。DRONES旋翼机飞行原理04旋翼机飞行原理动画片中，哆啦A梦头戴竹蜻蜓自由的在空中翱翔。那么真实的情况会这样吗？旋翼机飞行原理竹蜻蜓：当手的搓动给了竹蜻蜓一个旋转的速度后就会产生升力，让竹蜻蜓起飞。同理，多旋翼无人机也是由电机的旋转，使螺旋桨产生升力而飞起来的。比如四旋翼无人机，当飞机四个螺旋桨的升力之和等于飞机总重量时，飞机的升力与重力相平衡，飞机就可以悬停在空中了。竹蜻蜓与多旋翼无人机旋翼机飞行原理根据牛顿第三定律，旋翼在旋转的同时，也会向机身施加一个反作用力(反扭矩)，促使机身向反方向旋转。这也是为什么直升机会带一个「小尾巴」，在水平方向上施加一个力，去抵消这种反作用力，保持直升机机身的稳定。旋翼机飞行原理多旋翼飞行器上，它的螺旋桨也会产生这样的力。所以为了避免飞机疯狂自旋，四旋翼飞机的四个螺旋桨中，相邻的两个螺旋桨旋转方向是相反的。如图所示，三角形红箭头表示飞机的机头朝向，螺旋桨M1、M3的旋转方向为逆时针，螺旋桨M2、M4的旋转方向为顺时针。当飞行时，M2、M4所产生的逆时针反作用力(反扭矩)和M1、M3产生的顺时针反作用力(反扭矩)相抵消，飞机机身就可以保持稳定。旋翼机飞行原理垂直升降：当飞机需要