《无人机飞行原理》教案 项目1：大气飞行环境

课时教学教案课程:无人机飞行原理任课教师:XXX授课题目大气飞行环境教学形式共课时授课班级授课日期教学目的1、什么是无人机飞行环境。2、大气飞行环境的组成、分层及各层的特点。3、风、云、浓雾、结冰等对飞机飞行的影响。4、具有对飞行环境判断其安全性的能力。重点1、大气飞行环境及其组成。2、大气基本物理特性：温度、密度、压强。难点1、大气飞行环境对飞机飞行的影响。2、具有安全飞行的意识。课堂结构及时间分配复习引入………………..……（10分钟）教学内容大气组成及垂直分布………………..（50分钟）大气的基本气象要素………………...（50分钟）流体流动的基本概念和规律………...（60分钟）课堂小结…………………….（10分钟）课后体会教学过程及教学内容[复习引入]机翼为什么能产生升力呢？其一是因为机翼特殊的形状，其二是无人机飞行的介质是大气。所以有时候说无人机是靠天吃饭的。学习本节的重要性：只有了解和掌握了大气的特性和变化规律，并设法克服或减少飞行环境对无人机的影响，才能保证无人机安全可靠地飞行。[教学内容]任务1大气的组成及垂直分布一、大气组成1.定义：大气层,简称大气,是因重力关系而围绕着地球的一层混合气体，它包围着海洋和陆地,在离地表2000~16000km高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下、土壤和某些岩石中也会有少量气体,它们也可被视为大气圈的组成部分。2.组成：干空气、水分、粉尘颗粒组成。（1）干洁空气（2）水分：低层大气的重要成分，含量较少，占0.4%，含量变化最大的气体，参与水循环。（3）粉尘颗粒物：悬浮在大气中的固态、液态的微粒；来源于有机物燃烧、扬尘、细菌微生物等；集中在大气底层；影响大气温度变化。二、大气分层对流层：集中了整个大气3/4的质量和几乎全部的水汽，通过对流和湍流运动，云、雾、雨雪等主要大气现象发生在此层。平流层：从对流层顶到50～55KM高度的一层称为平流层，也称“同温层”。中间层：位于平流层之上，距地球表面50~85km。电离层：位于中间层之上及散逸层之下，其顶部离地面约800km。散逸层：距地平面800km以上，空气稀薄，向星际空间逃逸，是地球和外太空的分界。任务2大气基本气象要素一、大气基本气象要素1.大气温度大气温度简称气温,表示大气的冷热程度。大气的冷热程度,实质上也是大气分子无规则运动的一种表现。气体的温度越高,分子无规则运动的速度越大,分子无规则运动的动能也越大。大气温度与高度的关系:在不考虑逆温现象的情况下,高度越高,气温就越低。对流层内，大约高度每上升1km,气温下降6.5℃。对流层内,离地面越高,空气所得到的热量就越少，温度也就越低,即温度随高度的增加而递减。2.大气压力大气压力是指大气层内空气的压强,即物体单位面积上承受的空气垂直作用力。空气对物体表面产生压力的原因有两个:一个是上层空气的重力对下层空气造成的压力,所以在垂直高度上,随着高度的升高,空气压力逐渐减小;另一个是空气分子的不规则热运动使空气分子彼此相互碰撞、与容器壁相互碰撞而产生的力,所以在同一高度上,由于空气温度不同,空气的压力也是不均匀的。大气压力与高度的关系:大气压力随高度增加而递减。在近海平面1000hPa附近,高度每上升约10m,气压下降1hPa;在500hPa(5500m)附近,高度每上升约20m,气压下降lhPa;在200hPa(12000m)附近,高度每上升约30m,气压下降1hPa。这些在航空上可用来决定飞行器飞行的高度。3.大气湿度空气湿度是用来量度空气中水汽含量多少或空气干燥潮湿程度的物理量。空气中\t"/item/%E6%B9%BF%E5%BA%A6/_blank"液态或\t"/item/%E6%B9%BF%E5%BA%A6/_blank"固态的水不算在湿度中。不含水蒸气的空气被称为\t"/item/%E6%B9%BF%E5%BA%A6/_blank"干空气。由于大气中的水蒸气可以占空气体积的0%到4%，一般在列出空气中各种气体的成分的时候是指这些成分在干空气中所占的成分。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，空气越干燥；水汽越多，空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。密度大气密度是单位体积内的空气质量，即空气稠密的程度。气温、气压和湿度的变化都会对飞行性能和仪表指示带来一定影响，这种影响主要是通过它们对大气密度的影响实现的。气象对飞行的影响影响无人机飞行的气象因素：风、云、雨、雾、结冰等。结冰对无人机飞行的影响（1）什么是飞机结冰？飞机在含有过冷却水滴的云或雨中飞行时，如果飞机机体的表面温度低于零度，过冷却水滴撞在机体上就会立即冻结累积起来，这种现象叫做飞机结冰。（2）飞机结冰程度主要取决于什么？主要取决于云层温度、液态水含量、水滴直径和云层范围等。（3）飞机结冰对飞行的影响：机翼、尾翼前缘结冰会使翼型改变、升力降低，破坏操纵性能；进气道前缘结冰则会导致进气不畅，影响发动机推力；螺旋桨桨叶结冰会造成螺旋桨转动失去平衡，产生振动和摆动现象；空速管或天线结冰会影响仪表的指示，甚至使无线电及雷达信号失灵；飞机操纵面、刹车及起落架结冰，会影响其正常操纵功能。浓雾与低能见度对飞行的影响浓雾降低了人类眼睛所能看到的距离，飞行员在低能见度情况下，起降时很难看清跑道，因此对起飞和着陆带来严重的影响。云对飞行的影响云的明暗不均容易使飞行员产生错觉；云中湍流会造成飞机颠簸；云中的过冷水滴会使飞机积冰；云中的雷电会损坏飞机；云底很低的云会影响飞机的起飞和降落。五雷暴对飞行的影响会产生对飞机危害很大的电闪雷击和冰雹袭击；雷暴产生的风切变和湍流会使飞机颠簸、性能降低；强降雨使飞机气动性能变差、发动机熄火；闪电还会对地面的导航和通信设备造成干扰与破坏。风对飞行的影响为什么飞机起飞降落的时候通常会选择逆风起飞？（1）可获得较大的升力和阻力，缩短滑跑距离，增加飞机的载重，并增大飞机开始时的稳定性和操纵性。（2）飞机着陆时还需要考虑飞机允许的最大跑道侧风。三、大气物理性质1.空气的黏性空气的黏性是空气在流动过程中表现的一种物理性质,大气的黏性力是相邻大气之间相互运动时产生的牵扯作用力,即大气的内摩擦力。空气分子的不规则运动,是造成空气黏性的主要原因。相邻两层空气之间有相对运动时，会产生相互牵扯的作用力,这种作用力叫作空气的黏性力。空气的压缩性当空气流过物体时,在物体周围各处,气流速度会有增大或减小的变化,气体压力会有减小或增大的变化,因此,气体密度会有减小或增大的变化。这就是空气具有压缩性的体现。空气流动速度不大时,空气的压缩性表现不明显,但当空气的流动速度较大时,由速度变化所引起的压力和密度的改变就相当可观。5.流体模型化（1）理想流体。忽略流体黏性作用的流体，称为理想流体。空气流过飞机时，一般只在贴近飞机表面的地方(附面层)考虑空气黏性的影响，其他地方则按理想流体处理。（2）不可压流体。忽略流体密度的变化，认为其密度为常量的流体，称为不可压流体空气流过飞机时，密度要发生变化，其变化量的大小取决于Ma的大小。（3）绝热流体。不考虑热传导性的流体，称为绝热流体。任务3流体流动的基本概念和规律一、空气的相对运动原理1.流体模型化（1）理想流体：忽略气体分子的自身体积，将分子看成是有质量的几何点；假设分子间没有相互吸引和排斥，即不计分子势能，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞是完全弹性的，不造成动能损失。当空气流过固定翼无人机时，一般只在贴近固定翼无人机附面层考虑空气黏性的影响，其他地方则按理想流体处理。在确定固定翼无人机表面的压力分布及升力问题时，可以将流体看作理想气体。在研究无人机阻力问题时，需要考虑流体黏性的影响因素。（2）不可压流体：忽略流体密度的变化,认为其是密度为常量的流体。空气流过固定翼无人机时，密度要发生变化,其变化量的大小取决于马赫数。当马赫数小于0.4时我们可以忽略流体密度的变化，而把流体视为不可压缩流体。考虑密度变化的流体则称为可压流体，当马赫数大于0.4时，必须考虑流体密度变化对流动参数的影响。（3）绝热流体：不考虑热传导性的流体。当空气低速流动时，除了专门研究热问题外，一般不考虑空气的热传导性，认为空气流过固定翼无人机时温度是不变的；当空气高速流动时，则要考虑空气热传导性的影响，即要考虑温度的变化对流体的影响。2.相对气流◎相对气流就是空气相对飞机的运动。◎相对气流方向与飞机运动方向相反。◎只要相对气流速度相同产生的空气动力也就相同。◎相对气流方向的判断:与飞机运动的方向相反。流线和流线谱（1）流线是为了描述流体运动而引入的一条假想曲线,即流场中的一条空间曲线。在该曲线上，每点的流体微团的速度与曲线在该点的切线重合。（2）流线谱：流线谱是所有流线的集合。流线谱反映了流体流过物体时的流动情况。流线谱的形状主要由物体的外形、物体与气流的相对位置决定。（3）流管：由许多流线围成的管状曲面称为流管。由于流管表面是由流线围成的，因此流线不能穿出或穿入流管表面。流管好像刚体管壁一样把流体运动局限在流管之内或流管之外，就像真实的管子一样。二维流线谱中，两条流线表示一根流管。两条流线间的距离缩小，就说流管收缩或变细；两条流线间的距离增大，就说流管扩张或变粗。二、连续性定理定理内容：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。实质：质量守恒定律公式：说明：气体流动速度与流管截面积成反比；流动速度的快慢，可用流管中流线的疏密程度来表示；适用条件：连续性定理只适用于低速的范围；对流体的性质未加限制。伯努利定理风洞连通器实验现象：空气静止时，与试验管道各切面相连通的玻璃管内的水柱高度一样，说明各切面的空气压力相等，都等于大气压力。当从风洞左侧向右侧吹入稳定气流，,仔细观察可以发现，各玻璃管水柱高度普遍上升，而且上升的高度各不一样。在管径细的地方，水柱上升得更高一些，说明此处气流速度较快，空气压力较小；而在管径粗的地方，水柱上升得较少，说明这里的气流速度较慢，空气压力要大一些。总结：通过实验我们可以总结出一个规律，即当不可压缩的理想流体沿流管做定常流动时，流动速度增加，流体的静压将减小；反之，流动速度减小，流体的静压将增加。但,流体的静压和动压之和(称为总压)始终保持不变,我们将个这规律称为伯努利定理。伯努利定理定理内容：同一流管的任意截面上，流体的静压与动压之和保持不变。实质：能量守恒定律方程：——动压,单位体积空气所具有的动能。P——静压，单位体积空气所具有的压力能(在静止的空气中,静压等于当时当地的大气压);Po——总压(全压),动压和静压之和(总压可以理解为气流速度减小到零时的静压)。伯努利定理可以表述为：稳定气流中，在同一流管的任意截面上，空气的动压和静压之和保持不变。由此可见，动压大,则静压小；动压小，则静压大。即流速大，压强小；流速小，压强大；流速减小到零时，压强增大到总压值。伯努利定理使用条件①气流是连续、稳定的,即流动是定常的；②流动的空气与外界没有能量交换,即空气是绝热的；③空气没有黏性，即空气为理想流体；④空气密度不变，即空气为不可压缩气流；⑤流体在同一条流线或同一条流管上。[课堂小结]1.三大气象要素为()。A.气温、气压和空气湿度B.气温、风和云C.风、云和降水2.当气温高于标准大气温度时，飞机的载重量要()。A.增加B.减小C.保持不变3.气温、气压和空气湿度的变化都会对飞机性能和仪表指示造成一定的影响，这种影响主要通过他们对空气密度的影响而实现，下列描述哪个正确()。A.空气密度与气压成正比，与气温也成正比B.空气密度与气压成正比，与气温成反比C.空气密度与气压成反比，与气温成正比4.飞机的飞行性能主要受大气密度的影响。当实际大气密度大于标准大气密度时（）。A.

空气作用于飞机上的力要加大，发动机推力减小B.

空气作用于飞机上的力要减小，发动机推力增大C.

空气作用于飞机上的力要加大，发动机推力增大5.雷暴对飞机产生很大危害，下列危害不确切的是()。A.雷击和冰雹袭击B.风切变和湍流C.数据链中断6.能见度，是反映大气透明度的一个指标，测量大气能见度的错误方法（）。A.用望远镜目测B.使用大气透射仪C.使用激光能见度自动测量仪7.下述何种天气现象是稳定大气的特征()。A.能见度极好