《无人机飞行原理》课件 项目2 固定翼无人机飞行原理

项目1

固定翼无人机飞行原理任务固定翼无人机的气动结构1机翼的形状及参数2升力产生的原理3阻力产生的原理4固定翼无人机低速特性5固定翼无人机气动结构任务1知识点1：常见飞行平台气动布局及其特点固定翼无人机的气动部件包括机翼（左机翼和右机翼）、机身、尾翼、起落架等。其中尾翼包括垂直尾翼（垂直安定面和方向舵）和水平尾翼（水平安定面和升降舵），副翼包括左副翼和右副翼，分别布置在机翼后缘外侧。在所有的气动部件中，机翼是产生升力的主要部件，也是最主要的气动部件；尾翼是辅助气动部件，主要用于保证飞行的稳定性和操纵性。知识点1：常见飞行平台气动布局及其特点1.常规布局常规布局是现代飞机最常用的一种气动布局，即将飞机的水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾部知识点1：常见飞行平台气动布局及其特点2.鸭式布局鸭式布局是一种将飞机的俯仰主操纵面（水平前翼）放在机翼之前的气动布局形式，军用有人飞机用的较多，无人机也有部分采用。这种布局方式在外形上像一只鸭子，因此得名”鸭式布局”，前面的两个翼面也被称为”鸭翼”。而“鸭翼”一般为展弦比较小的三角形翼面。知识点1：常见飞行平台气动布局及其特点3.无尾布局一般来说，无尾布局，指有机翼但没有水平尾翼或者同时没有水平尾翼、垂直尾翼和鸭翼的一种气动布局形式。无尾布局可以分为无平尾和既无平尾又无垂尾两种情况。飞翼布局就是一种特殊的无尾布局，即没有传统的平尾和垂尾，而是通过机翼本身提供横向和纵向的控制和稳定，如图所示。无尾布局是现代飞机和无人机气动设计中广泛采用的布局形式。知识点1：常见飞行平台气动布局及其特点4.三翼面布局三翼面布局，指固定翼无人机机翼前面有鸭翼，机翼后面有平尾的一种气动布局形式。三翼面布局由鸭翼、机翼和平尾构成，可以综合常规布局和鸭式布局的优点，有更好的气动特性，特别是操纵特性和配平特性、以及机动性能都能得到明显改善。知识点2：常见固定翼无人机气动布局固定翼无人机整体气动结构的特点是没有驾驶舱，所以在结构设计中无需考虑人的因素，包括配合人体工程学来配置适合人的操作系统结构和操纵空间、保证人的生物维持和安全所必需的设备和系统等。即无人机不以人作为其结构布局的核心因素，不需要驾驶舱，不需要围绕人而展开的各种设备和系统。这不仅仅影响到固定翼无人机的大小，更重要的是影响固定翼无人机的气动布局。机翼的形状及参数任务2知识点1：翼型及几何参数简称翼型，是用垂直机翼的平面切割机翼所得的剖面。知识点1：翼型及几何参数01对称翼型02双凸翼型03平凸翼型04凹凸翼型05“S”型翼型06特种翼型知识点1：翼型及几何参数中弧线：和翼形上表面和下表面等距离的曲线。前、后缘：中弧线与上表面和下表面的外形线在前端的交点称为前缘在后端的交点称为后缘。几何弦（弦线）：前、后缘的连线。但对于下表面为直线的翼型，也将此直线定义为几何弦。知识点1：翼型及几何参数01.弦长——翼型前、后缘点之间的距离，用b表示。知识点1：翼型及几何参数无量纲坐标：以前缘作为原点，弦线作为x坐标轴，方向从前缘指向后缘，y坐标轴垂直于弦线。翼型上、下表面各点距离弦线的y值，用弦线长度的相对坐标函数表示（上、下表面分别用下标u和l表示）。XuXl

02.弯度：中弧线和弦线的间隔，用f表示。

◆相对弯度：弯度f与弦长b之比。

16知识点1：翼型及几何参数03.厚度——与中弧线垂直方向测量的上表面和下表面的距离，用c表示。

◆相对厚度：最大厚度C与弦长b之比。◆最大厚度：上弧线同下弧线之间内切圆的最大直径。一般来说，厚度越大，阻力越大。

17知识点1：翼型及几何参数

18知识点1：翼型及几何参数05.后缘角——翼型上、下表面在后缘处切线间的夹角。19知识点1：翼型及几何参数知识点2：机翼的平面形状几何参数简称翼型，是用垂直机翼的平面切割机翼所得的剖面。平面形状机翼翼型从飞机顶上往下看，机翼在水平面上的投影。21知识点2：机翼的平面形状几何参数22知识点2：机翼的平面形状几何参数平面形状避免激波阻力

产生后掠效应改善升阻比

提高机翼强度平直机翼平直机翼适用于低速无人机23知识点2：机翼的平面形状几何参数机翼面积翼展展弦比几何平均翼弦后掠角根尖比机翼在水平面内的投影面积。翼根翼弦与翼尖翼弦的比值。。机翼左右翼尖的距离。机翼的投影面积与翼展的比值。机翼的翼展与平均翼弦的比值。机翼与机身轴线的垂线之间的夹角。24知识点2：机翼的平面形状几何参数后掠翼的优缺点知识点2：机翼的平面形状几何参数感谢您的倾听固定翼无人机的升力

机翼产生升力的原理01迎角对流线谱的影响1.1机翼的压力分布

小迎角

大迎角▼当迎角由小变大时，机翼上表面的流管变得更细，下表面则相反，流管较原来变粗，甚至比前方流管还粗，机翼后缘涡流更多。烟风洞实验1.1机翼的压力分布▼观察空气流过机翼的情形。烟风洞实验1.1机翼的压力分布▼机翼前方的气流流到机翼前缘，开始受到机翼的阻挡，流线分成两股，一股流经机翼上表面，另一股流经机翼下表面。▼由于机翼上、下表面向外凸起，流线在这些地方比较密集，即上下表面的流管都比前方变细。▼再比较上下表面的流线，可以看到，由于上表面比下表面凸起得多，所以上表面的流线更密一些，流管更细一些。▼到了机翼后缘，由于气流分离，出现了涡流，通过改变机翼的迎角大小，观察到机翼上下表面产生流线有所不同。1.2升力的产生▼气流翼型上表面流线变密流管变细▼下表面平坦流线变化不大（与远前方流线相比）▼连续性定理、伯努利定理翼型的上表面流管变细流管面积减小气流速度增大压强减小▼机翼下表面流管变化不大压强基本不变▼上下表面产生了压强差总空气动力R，R的方向向后向上1.2升力的产生机翼——产生升力压力分布表示——矢量表示法1.3机翼的压力分布▼当机翼表面压强低于大气压，称为吸力。▼当机翼表面压强高于大气压，称为压力。压力分布表示——矢量表示法1.3机翼的压力分布

小迎角

大迎角为了形象地说明机翼表面各点的压力大小，可用矢量表示法，画出机翼的压力分布图。将测出的翼面各点的压力与大气压力之差，用向量画在翼面的垂直线上。当空气流过机翼时，气流会沿上下表面分开，根据伯努利原理，上表面气流速度快，对机翼的压力较小，下表面气流速度慢，对机翼压力较大，这就产生了一个压力差，也就是向上的升力。向量表示法理解升力的产生1.3升力的产生伯努利原理机翼的形状飞行原理总结：机翼产生升力的条件

从公式中可以看出，在飞行速度、空气密度一定的情况下，对某一架无人机来说，要增大升力，只有增大升力系数；而升力系数的增大可以通过增大迎角或改变机翼截面形状来实现。1.4升力公式

S——机翼面积1.4升力公式影响升力分布的因素02

040205010603襟翼机翼面积翼型迎角相对气流速度空气密度机翼面积越大，升力越大。空气密度越大，升力越大。平凸型机翼比双凸型大。飞行速度越大，升力越大。迎角不同，机翼流线谱不同，升力大小也不同。2.1影响压力分布的主要因素2.1影响压力分布的主要因素——翼型翼型形状对压力分布的影响绕对称翼型的流线类型和压力分布绕迎角为0°，对称翼型的流线类型和压力分布结论：在绕对称翼型的流动中，在零迎角时升力为零，只有在翼型具有正迎角时，翼型才具有正升力。2.1影响压力分布的主要因素——翼型翼型形状对压力分布的影响2.1影响压力分布的主要因素——翼型翼型形状对压力分布的影响绕非对称（有弯度）翼型的压力分布结论：在绕有正弯度翼型的流动中，在翼型的迎角为零时就已经产生升力了。2.1影响压力分布的主要因素——迎角迎角对压力分布的影响结论：随着迎角的逐渐增大，上翼面前缘的吸力峰变大，升力增加。机翼面积增大，产生的上、下压力差总和增大，升力增大，升力与机翼面积的变化成正比。2.1影响升力的因素——机翼面积机翼面积对升力的影响机翼的上、下表面弯曲程度越大产生的升力就越大。2.1影响升力的因素机翼翼型对升力的影响空气密度越大，从机翼上的产生的升力就越大；同一高度下，气温越低，空气密度就越大。飞行速度越大，相对气流速度就越大，这样机翼上表面的气流速度比下表面的气流速度增加的更多，于是上、下压力差增大，升力增大，且与飞行速度的平方成正比。2.1影响升力的因素空气密度对升力的影响相对气流速度对升力的影响在一定范围内，当迎角增大时，升力增加。当迎角增大到某一角度时，机翼上表面前部流管变得最细，流速最快，吸力最大；下表面流管变得更粗，流速更慢，正压力更大。上、下压力差达到最大，升力最大，这个角度称为临界迎角。当超过这一迎角时，升力反而会减小，其原因是机翼上表面的涡流区扩大，吸力降低所致。2.1影响升力的因素迎角对升力的影响本节主要内容影响升力的因素机翼产生升力的原理机翼升力公式感谢聆听固定翼无人机的飞行阻力1.阻力分类及低速附面层2.摩擦阻力3.干扰阻力4.压差阻力5.诱导阻力本节提要知识点1：阻力分类及低速气流附面层阻力是由无人机各部分部件所产生，阻碍无人机前进的空气动力。飞行阻力飞行阻力的产生飞行阻力阻力的方向平行于相对气流方向，且与飞行速度方向相反，是阻碍固定翼无人机运动的一个力。升力重力拉力阻力飞行阻力的方向摩擦阻力(SkinFrictionDrag)干扰阻力(InterferenceDrag)压差阻力(FormDrag)诱导阻力(InducedDrag)废阻力致升阻力粘性对于低速无人机，根据阻力的形成原因，可以将阻力分为：阻力的分类阻力的分类低速附面层低速附面层是从物体表面速度为0这一点，沿着物体表面法线的方向，当相对气流逐渐增加到主流速度的99%时形成空气动力层。低速附面层低速附面层的形成附面层的形成是受到空气粘性的影响低速附面层低速附面层的形成无粘流动沿物面法线方向速度一致粘性流动沿物面法线方向速度不一致“附面层”附面层厚度较薄●固定翼无人机，最厚只有几厘米●螺旋桨，只有几毫米●货运轮船，可达几十厘米低速附面层低速附面层的特点附面层内沿物面法向方向压强不变且等于法线主流压强。低速附面层低速附面层的特点附面层的特点附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。低速附面层低速附面层的特点附面层分为层流附面层和紊流附面层。层流附面层在前，紊流附面层在后。层流与紊流之间的过渡区称为转捩点。低速附面层低速附面层的特点低速附面层低速附面层的特点思考：层流附面层和紊流附面层的粘性哪个更大一些？低速附面层低速附面层的特点思考：层流附面层和紊流附面层的粘性哪个更大一些？紊流附面层紧挨物体表面的速度梯度较层流附面层的大。结论：越靠近物体表面水平速度梯度越大，粘性越强。所以紊流附面层粘性更大。附面层摩擦阻力低速附面层与摩擦阻力的关系知识点2无人机飞行阻力——摩擦阻力摩擦阻力摩擦阻力的定义由于紧贴机体表面的空气受到阻碍作用而流速降低到0，根据作用力与反作用力定律，无人机机体必然受到空气的反作用力。这个反作用力与飞行方向相反，称为摩擦阻力。摩擦阻力影响摩擦阻力大小的因素摩擦阻力的大小与附面层的类型和转捩点的位置密切相关。飞行速度：飞行速度越大，使得转捩点前移，因此紊流附面层所占的比例就大于层流附面层，摩擦阻力增大。物体表面的粗糙程度：物体表面越粗糙，紊流附面层更加容易出现。表面状况空气的黏性接触的面积机体表面积越大空气黏性越大机体表面越粗糙摩擦阻力越大摩擦阻力影响摩擦阻力大小的因素减小摩擦阻力保持表面清洁及时擦拭机体表面保证机体表面没有污物、划伤、凹陷和凸起等摩擦阻力减小摩擦阻力方法摩擦阻力不同机体摩擦阻力占比摩擦阻力在运载设备上总阻力构成中占的比例比较大。知识点3：干扰阻力干扰阻力干扰阻力的产生无人机机体的各个部件之间，比如机翼、机身、尾翼的单独阻力之和小于把他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，称之为干扰阻力。干扰阻力就是固定翼无人机各部分之间因气流互相干扰而产生的一种额外的阻力。干扰阻力减小干扰阻力的方法固定翼无人机各部件之间尽可能用平滑过渡和整流罩包裹各部件连接处，可以有效的减小干扰阻力。减小干扰阻力考虑各部分的相对位置中单翼最小下单翼最大上单翼居中减小干扰阻力飞机各部件之间的平滑过渡和整流片，可以有效地减小干扰阻力知识点4无人机飞行阻力——压差阻力气流流过机翼后，在机翼的后缘部分产生附面层分离形成涡流区，压强降低；而在机翼前缘部分，气流受阻压强增大，这样机翼前后缘就产生了压力差，从而使机翼产生压差阻力。压差阻力压差阻力的产生顺压：A到B，沿流向压强逐渐减小，如机翼上表面前段。逆压：B到C，沿流向压强逐渐增加，如机翼上表面后段。ABC压差阻力顺压梯度与逆压梯度压差阻力附面层分离在逆压梯度作用下，附面层底层出现倒流，与上层顺流相互作用，形成漩涡脱离物体表面的现象。2.气流分离3.涡流区的形成压差阻力压差阻力分离区特点1分离区内漩涡是一个个单独产生的，这会导致机翼出现振动现象。压差阻力压差阻力分离区特点2

分离区压强是几乎相等的，并且等于分离点处的压强。ABC压差阻力压差阻力分离区特点3

附面层分离后，涡流区的压强降低。

PA>PB<PC

PA>PC在机翼的后缘部分产生附面层分离形成涡流区，压强降低；而在机翼前缘部分，气流受阻压强增大。压差阻力压差阻力大小影响因素

压差阻力的大小与分离点的位置有关。分离点靠前，压差阻力大。分离点靠后，压差阻力小。迎角大小决定分离点的位置压差阻力迎角迎风面积机翼形状机翼形状不同，压差阻力不同迎风面积越大，压差阻力越大迎角越大，压差阻力越大影响因素知识点5无人机飞行阻力——诱导阻力诱导阻力大雁为什么排成人字队形？排成人字队形的雁阵诱导阻力大雁为什么排成人字队形？诱导阻力诱导阻力定义由于翼尖涡的诱导，导致气流下洗，在平行于相对气流方向出现阻碍无人机前进的力，这就是诱导阻力。诱导阻力翼尖涡的形成正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用作用下，下翼面的气流会绕过翼尖流向上翼面，下翼面由翼根流向翼尖，上翼面由翼尖流向翼根。诱导阻力翼尖涡的形成由于上、下翼面气流在后缘处具有不同的流向于是就形成涡流，并在翼尖卷成翼尖涡，翼尖涡向后流就形成翼尖涡流。诱导阻力翼尖涡的形成总结：在翼展流动范围之内，翼尖涡将引起气流向下运动在翼展流动范围之外，翼尖涡将引起气流向上运动诱导阻力下洗流由于两个翼尖涡的存在，会导致在翼展范围内出现一个向下的诱导速度场，称为下洗。下洗速度的存在，改变了翼型的气流方向，使流过翼型的气流向下倾斜，这个向下倾斜的气流称为下洗流。下洗流与相对气流之间的夹角称为下洗角ε。诱导阻力下洗角下洗流的存在，改变了翼型的气流方向，使流过机翼气流向下倾斜，这个向下倾斜的气流就称为下洗流，下洗流与相对气流之间的夹角称为下洗角。有效迎角：下洗流与翼弦之间夹角原来相对气流速度方向下洗流下洗速度诱导