《无人机驾驶基础》课件-单元3 无人机飞行原理

无人机技术基础单元3 无人机飞行原理2重点掌握空气动力学基础、飞行稳定性难点掌握飞行运动方式和姿态3.1空气动力学基础3.1.1大气层分层随着大气层高度的变化，大气的温度、气体流动规律等参数也相应改变，根据参数的特点，可以将大气层可分为了五层：对流层、平流层、中间层、热层、散逸层（外大气层）33.1

空气动力学基础对流层是地球大气层中最低的一层，随着纬度的不同，高度也不同，其下界与地面相接，上界高度随地理纬度和季节而变化。通常情况下低纬度地区的高度为16～18km，中纬度高度为10～12km，高纬度为8～9km。对流层中气温随高度增加而降低，空气的对流运动极为明显，空气温度和湿度的水平分布也很不均匀，在对流层空气的流动性非常大。大气层分层对流层对流层中集中了全部大气约75%的质量以及90%以上的水汽，是天气变化最复杂的大气分层，对无人机的飞行影响最为强烈。在对流层内，按气流和气象分布的特点，又分为下层、中层、上层、过渡层4个层次。43.1

空气动力学基础①对流层下层：又称扰动层或摩擦层。它的高度与地表性质、季节等因素有关，自地面开始，顶部高度为1～2km。在对流层的下层中，气流受地面摩擦作用很大，风速通常随高度增加而增大。在对流层下层内，气温的日变化也极为明显，昼夜温差可达10～40℃。②对流层中层：它的底界即下层的层顶，上界高度约为6km，这一层受地表的影响远小于摩擦层。大气中云和降水现象大都发生在这一层内。这一层的上部，气压通常只有地面的一半，在飞行时需要使用氧气。③对流层上层：它的范围从6km高度伸展到对流层的顶部。这一层的气温常年都在0℃以下，水汽含量很少。④对流层过渡层：在对流层与平流层之间，还有一层厚度数百米到2km的过渡层。对垂直气流有很大的阻挡作用。上升的水汽、尘粒等多聚集在其下，能见度往往较差。1.对流层53.1

空气动力学基础2．平流层平流层位于对流层顶之上，顶界伸展到50～55km，在中间层之下。在平流层内，随着高度的增加气温最初保持不变或微有上升，到25～30km以上气温升高较快，到了平流层顶气温约升至-3℃。平流层的这种气温分布特征同它受地面影响小和大气中的臭氧（臭氧能直接吸收太阳辐射）有关。平流层的下部也称为同温层。在平流层中，空气的垂直运动远比对流层弱，水汽和尘粒含量也较少，因而气流比较平缓，能见度较佳。对于飞行来说，平流层中气流平稳、空气阻力小，这是有利的一面；但因平流层空气稀薄，飞行的稳定性和操纵性恶化，这是不利的一面。高性能的军用无人机都能在平流层中飞行。随着航空器飞行上限的日益增高和航空军事技术的发展，对平流层的研究越来越多、越来越深入。63.1

空气动力学基础中间层从平流层顶伸展到80

km

高度。这一层的特点是：气温随高度增加而下降，空气有相当强烈的垂直运动。在这一层的顶部气温可低至-113～-143-3℃。3.1.2标准大气和气象要素3．中间层4．热层热层的范围是从中间层顶伸展到约800km高度。这一层的空气密度很小，声波也难以传播。热层的一个特征是气温随高度增加而上升。另一个重要特征是空气处于高度电离状态。热层又在电离层范围内。有时，在极区常可见到光彩夺目的极光。电离层的变化会影响飞机器的无线电通信。73.1

空气动力学基础散逸层又称逃逸层、外大气层，是地球大气的最外层，位于热层之上。那里的空气极其稀薄，同时又远离地面，受地球的引力作用较小，因而大气不断地向星际空间逃逸。3.1.2标准大气和气象要素5．散逸层83.1

空气动力学基础3.1.2

低速空气动力特性所谓低速气流，是指流动速度小于0.3倍音速的气流。所谓气流特性，是指流动中的空气其压强、密度、温度以及流管粗细同气流速度之间相互变化的关系。93.1

空气动力学基础流体气体和液体统称为流体。气体和液体的共同特性是不能保持一定形状，具有流动性。气体和液体的不同点表现在液体具有一定的体积，一般情况下不可压缩，而气体一般情况下可压缩。流场流体所占据的空间称为流场，是表示流体特性的物理量。流体特性包括速度、温度、压强、密度等，也称为流体的运动参数。流场是分布流体运动参数的场。流动流体的流动分为两种类型：根据运动参数随时间的变化，可以将流动分为定常流动与非定常流动。如果流场中流体的运动参数不仅随位置改变而改变，并且随时间改变而改变，这样的流动称为非定常流动。如果流场中流体的运动参数只随位置改变而改变，而与时间无关，这样的流动称为定常流动。低速空气动力特性流体及相关物理量103.1

空气动力学基础（4）流线：流线是流场中某一瞬间的一条空间曲线，在该曲线的任意点上，流体质点所具有的速度方向与曲线在该点切线方向重合。低速空气动力特性流体及相关物理量流线具有以下特征：①非定常流动时，由于流场中流速随时间改变，经过同一点的流线的空间方向和形状是随时间改变的。②定常流动时，流场中各点流速不随时间改变，所以同一点的流线始终保持不变，且流线与迹线（流场中流体质点在一段时间内运动的轨迹）重合。流线不能相交，也不能折转。因为空间每一点只能有一个速度方向，所以不能有两条流线同时通过同一点。流场中的每一点都有流线通过。由这些流线构成的流场的总体，称为流线谱，简称：流谱。113.1

空气动力学基础（5）流管与流束在流场中任意画一封闭曲线，在该曲线上每一点做流线，由这些流线所围成的管状曲面称为流管。由于流管表面由流线所围成，而流线不能相交，因此流体不能穿出或穿入流管表面。在流体稳定流动时流管就像一只真实的管子。充满在流管内的流体称为流束。低速空气动力特性流体及相关物理量当飞机在原来静止的空气中匀速直线飞行时，将引起飞机周围的空气运动，同时空气将给飞机反作用力。计算作用力时，可以使用两个坐标系：一个是静止坐标系，直接将牛顿定律用于空气对飞机的作用力；另一个是动坐标系，飞行中的飞机对空气的作用力。这两个坐标系产生的作用力是相对的，而用这两个坐标系求得的飞机所受的力是完全相同的。这就是运动转换原理。利用运动转换原理，可以大为简化空气动力学的研究过程。122.运动转换原理3.1

空气动力学基础质量守恒定律是自然界基本的定律之一，它说明物质既不会消失，也不会凭空增加。如果把这个定律应用在流体的流动上，就可以得出这样的结论：当流体低速、稳定、连续不断地流动时，在流管中的任意一部分流体都不能中断或积聚，因此在同一时间内，流进流管任何一个截面的流体质量和从该流管另一个截面流出的流体质量应当相等，这就是流体的连续性定理，如图所示。3.1.2

低速空气动力特性3.连续性定理米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫(1711.11.19－1765.4.15)，俄国百科全书式的科学家、语言学家、哲学家和诗人，被誉为俄国科学史上的彼得大帝。提出了“质量守恒定律”（物质不灭定律）的雏形133.1

空气动力学基础3.1.2

低速空气动力特性3.连续性定理-1 中，设截面，流体密度为

，则单位时间内流进截14设截面Ⅰ的面积为A1，流速为v1，流体密度为

，则单位时间内流进截面Ⅰ的流体质量为m1

1

1F1同理,设截面Ⅱ的面积为A2，流速为v2，流体密度为

，则单位时间内流进该截面的流体质量为m2

2

2

F

2根据质量守恒定律m1

m2

即

1v1F1

2v2

F2由于截面Ⅰ和截面Ⅱ是任意选取的，所以可以认为，单位时间内流过任何截面的流体质量都是相等的，故得

vF

常数3.1

空气动力学基础3.1.2

低速空气动力特性3.连续性定理-1 中，设截面，流体密度为

，则单位时间内流进截式中，v—流管截面上的流体速度，单位为m/s；A—截面的面积，单位为㎡。如果在流动过程中,流体密度不变,即，则方可简化为：

vF

常数称为连续方程。进一步可写成：v1

F2v2

F1153.1

空气动力学基础3.1.2

低速空气动力特性3.连续性定理它说明了流体流动速度和流管截面积之间的关系。由此看出，当低速定常流动时，流体速度的大小与流管的截面积成反比，这就是连续性定理。也可以粗略的说，截面积小的地方流速快，而截面积大的地方则流速慢。流体流动速度的快慢，可用流管中流线的疏密程度来表示，如图所示。流线密的地方表示流管细，流体速度快，反之就慢。需要指出的是，连续性定理只适应于低速（流速v＜0.3Ma），即认为密度不变，不适于亚音速，更不适合于超音速。16173.1

空气动力学基础能量守恒定律也是自然界基本定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其他物体，而能量的总量保持不变。伯努利定理是能量守恒定律在空气动力学中的具体应用。同连续性定理一样，伯努利定理的应用也是有条件的，它只适应于低速，即认为密度不变，不适应于高速；并且要求流场中气体不与外界发生能量交换。连续性定理和伯努利定理是气体动力学中两个最基本的定理，它们说明了流管截面积、气体速度和压力这三者之间的关系。综合这两个定理，我们可以得出如下结论：低速定常流动的流体，流过的截面积大的地方，速度小，压强大；而截面积小的地方，流速大，压强小。这一结论是解释机翼上空气动力产生的根据。3.1.2

低速空气动力特性4.伯努利定理3.1

空气动力学基础3.1.3

高速空气动力特性自从喷气式飞机出现以后，飞行速度已从亚音速发展到超音速。高速飞行中，飞机的空气动力特性与低速相比发生了显著的变化。飞机的阻力会成倍地甚至成几十倍地急剧增长；机翼的升力大小会发生忽大忽小的变换；机翼的压力中心会前后移动。高速飞行中出现这些新的特点是因为随着飞行速度的增加，其气流特性发生了显著的变化。因而，高速飞机在空气动力外形上和构造上都有许多新的特点。空气从低速发展到高速流动时，由于空气呈现出强烈的压缩或膨胀现象，压力、密度和温度发生了显著的变化，气流特性就出现一些不同于低速情况的质的差别。随着气流速度剧烈增加，会出现以下现象：流管不是收敛而是扩散，且伴随膨胀波的产生；产生压力突然升高的激波现象。高速气流之所以出现上述变化，其根本原因是空气具有压缩性。183.1

空气动力学基础空气由于压力、温度等条件改变而引起密度变化的这种性质，称为空气压缩性，也称为空气密度可变性。空气密度可以改变，其内因是空气分子有热运动（即分子作无规则运动），分子与分子之间有一定距离。当外界压力温度等条件改变时，通过空气分子的热运动和分子间距离的变化，空气的体积即发生变化，空气的密度也会发生相应的变化。空气流过飞机时，随着压力的变化，飞机周围的密度也要随之变化。例如，飞行中气流在机翼前缘受阻，压力升高，引起空气压缩，密度增大；在机翼上表面，流速加快，压力减小，引起空气膨胀，密度变小。飞机的飞行速度不同，其空气流经飞机各处时，速度的变化量不同，压力变化量不同，引起密度的变化量也不同。高速空气动力特性高速流动时空气密度的变化193.1

空气动力学基础无论在高速或低速飞行中，正是因为空气流过飞机的速度发生了变化，引起作用于飞机的空气压力发生变化，才使得空气动力发生变化。但在低速飞行中，尽管流速和压力发生了变化，但空气的密度和温度却都基本保持不变，所以研究飞机在低速飞行中的空气动力的变化规律，不需要考虑空气在压缩条件下的流速与压力之间的变化关系。但在高速飞行中，随着流速的加快，空气的压缩与膨胀的变换越来越显著，流速的改变，不仅引起空气压力发生变化，而且引起密度和温度也发生明显的变化。这些因素对飞机空气动力必然发生新的影响。3.1.2

高速空气动力特性2.高速气流的伯努利定理203.2动态飞行动力学任何航空器都必须产生大于自身重力的升力才能升空飞行，这是航空器飞行的基本原理。航空器分为轻于空气的航空器和重于空气的航空器两大类：2.

重于空气的航空器如飞机等航空器，其总密度大于空气密度，是靠什么力量飞上天空的呢？这一类航空器一般具有机翼，机翼大概可以分为固定翼和旋翼两种。1.

轻于空气的航空器如气球、飞艇等航空器，其主要部分是可以充气的气囊，在气囊中间充入比空气密度小的气体（如热空气、氢气等），只要航空器总密度小于空气密度，它可以依靠空气的静浮力升上空中。213.3

飞行运动方式和姿态如果飞行的飞机处于倾斜状态，那么升力作用在倾斜的方向上，总升力可以分解为两个分力，如图所示，其中一个分力作用在垂直方向，称为垂直分量，垂直升力分量可以与重力抵消，另一个分力作用在水平方向称为水平分量。转弯水平转弯（正常转弯状态）223.3

飞行运动方式和姿态侧滑转弯分为内侧滑转弯和外侧滑转弯。内侧滑转弯时，飞机转弯的快慢与倾斜角不对应，飞机会偏航到转弯航迹的内侧。飞机以一定的角速度转弯而倾斜过多时，升力的水平分量大于离心力。升力的水平分量和离心力的平衡通过降低倾斜度，降低角速度或者二者的结合才能建立。外侧滑转弯是由于离心力比升力的水平分量还大，把飞机向转弯轨迹的外侧拉，表明对于该倾斜角转弯太快了。纠正外侧滑转弯，需要降低角速度，增加倾斜角，或者二者结合。如果要维持一个给定的角速度，那么倾斜角必须随空速变化。在高速飞机上，这一点特别重要。例如，在飞行速度为400mph时，飞机必须倾斜大约44°才能保持标准的角速度(3°/s)。3.3.1转弯2.侧滑转弯（非正常转弯状态）233.3

飞行运动方式和姿态3.3.2爬升实际飞行中，处于稳定的正常爬升状态的机翼升力和相同空速时平直飞行的升力是一样的。尽管爬升前后的飞行航迹变化了，但当爬升稳定后，对应于上升航迹的机翼迎角又会恢复到与平飞相同的值。只是在转换过程中，会有短暂的变化，如图所示为飞机三个爬升阶段。243.3

飞行运动方式和姿态3.3.3下降这里的讨论假定下降时的功率和平直飞行时的功率一样。当升降舵推杆,飞机头向下倾斜时,迎角降低,结果是机翼升力降低。总升力和迎角的降低是短暂的,发生在航迹变成向下时。航迹向下的变化是由于迎角降低时升力暂时小于飞机的重量。升力和重力的这个不平衡导致飞机从平直航迹开始下降。当航迹处于稳定下降时,机翼的迎角再次获得原来的大小,升力和重力会再次平衡。从下降开始到稳定状态,空速通常增加。这是因为重力的一个分量现在沿航迹向前作用,类似于爬升中的向后作用。总体效果相当于动力增加,然后导致空速比平飞时增加。为使下降时的空速和平飞时相同,很显然,功率必定降低。重力的分量沿航迹向前作用将随俯角的增加而增加,相反,俯角减小时重力向前的分量也减小。因此,为保持空速和巡航时一样,下降时要求降低的功率大小通过下降坡度来确定。253.3

飞行运动方式和姿态3.3.4飞机的主要飞行性能最大平飞速度巡航速度爬升率升限航程及续航时间飞行半径263.3

飞行运动方式和姿态273.3.4飞机的主要飞行性能飞机的最大平飞速度是在发动机最大功率是飞机所获得的平飞速度。影响飞机最大平飞速度的主要原因是发动机的推力和飞机的阻力。由于发动机的推力、飞机的阻力与高度有关，所以在说明最大平飞速度时，要明确是在什么高度上达到的。通常飞机不用最大平飞速度长时间飞行，因为这样飞行会造成耗油太多，而且容易损坏发动机，缩短飞机使用寿命。除在特殊情况下，飞机一般以比较省油的巡航速度飞行。对于某些特殊飞机（如歼击机），最大平飞速度是非常重要重要的性能指标，其单位是km/h。1.最大平飞速度巡航速度是指发动机每千米消耗燃油最小的情况下的飞行速度。这时飞机的飞行最为经济，航程也是最远，发动机也不大“吃力”。对于某些飞机（如运输机），巡航速度是一项重要的指标，其单位也是km/h。2．巡航速度3.3

飞行运动方式和姿态28飞机的爬升率是指单位时间内飞机上升的高度，其单位是m/min或m/s，爬升率大，说明飞机爬升快，上升到预定高度所需的时间短。爬升率是歼击机的翼型重要性能。爬升率与飞行高度有关。随着飞行高度的增大，空气密度减小，发动机的推力减小，所以爬升率随着高度的增大而减小。一般爬升率在高度为海平面高度时。3.3.4飞机的主要飞行性能3．爬升率飞机上升所能达到的最大高度，叫做升限。升限对战斗机来说是一项重要的性能。歼击机比敌机高，就可以居高临下，取得主动权。

飞机的升限有两种。一种叫做理论升限，他指升限率等于零的高度，没什么实际意义；常用的是实际升限。所谓实用升限就是飞机的爬升率等于5m/s是的高度。此外还有动力升限，它是靠动能向上冲而取得最大高度的。一般创纪录的升限是指动力升限。4．升限293.3

飞行运动方式和姿态航程是指飞机一次加油所能飞越的最大距离。以巡航速度飞行可取得最大航程。增大航程的主要办法就是多带燃料、减小发动机的燃料消耗和增大升阻比k。航程远，表示飞机的活动范围大。对军用飞机来说，可以直接威胁敌人的战略后方，远程作战能力强；对民用客机和运输机来说，可以把客货运到更远的地方，而减少中途停留加油的次数。续航时间是指飞机一次加油，在空中所能保持飞行的时间。这一性能对侦察机、海上巡逻机是很重要的；歼击机的续航时间长，也有利于对敌作战，增加续航时间的措施与增加航程的措施类似。现代作战飞机多都挂有副油箱，就是为了多带如燃料以增大航程和航时。某些飞机为了增大航程、减小起飞时的载油量，以缩短滑跑距离或增加其他载重，可用空中加油的办法，在飞行途中由加油机补给燃料。3.3.4飞机的主要飞行性能5．航程及续航时间飞机从某一机场起飞，执行任务后在返回原机场，机场至该空域的水平距离就是飞行半径。理论上讲飞行半径应该是航程的一半。但因飞机在最远处要执行任务，消耗燃料，缩短直线航程，故一般规定飞行半径等于航程的25%～40%。6．飞行半径3.3

飞行运动方式和姿态飞机从静止滑跑离开地面，并上升到一定高度的加速运动过程叫做起飞。飞机离地升空需要足够的升力；要获得足够的升力，就需要通过加速滑跑来增加飞机的速度，因此飞机的起飞时一个不断增加速度和高度的运动过程。现代喷气式飞机的起飞过程分为两个阶段：a、地面加速滑跑阶段；b、加速上升到安全阶段。飞行科目起飞飞机是着陆与起飞相反。是一种减速运动。一般可分为五个阶段：下滑、拉平、平飞减速、飘落接地和着陆滑跑。这五个阶段和起来的总距离叫做着陆距离。降落之前，飞机大约在300m左右的高度上飞行员放下起落架，而在200m的高空上放下襟翼，同时发动机转速转到最小转速，并使飞机转入下滑状态。在接近地面6~7m时，驾驶员向后拉驾驶杆拉平飞机，使它转入平飞状态，开始转入“平飞减速”阶段，在这一阶段，飞机的迎角不断增大，C也增大到最大，使升力增大而同时使速度降低，以保持平飞。2．着陆303.3

飞行运动方式和姿态飞机按一定的轨迹作高度、速度和方向灯不断变化的飞行叫做机动飞行。它是歼击机空战技术的基础。飞机机动飞行的性能，是评价军用飞机战斗性能的重要方面，歼击机尤其需要保证良好的机动性3.3.5

飞行科目3．机动飞行一架飞行器要维持飞行就必须是稳定的。所谓飞机的稳定性，是指在飞行过程中，如果飞机受到某种扰动而偏离原来的平衡状态，在扰动消失后，不经飞行员操纵，飞机能自动恢复到原来平衡状态的特性。如果能恢复，则说明飞机是稳定的；如果不能恢复或者更加偏离原来的平衡状态，则说明飞机是不稳定的。飞机在空中飞行，可以产生俯仰运动、偏航运动和滚转运动，飞机绕横轴OZ的运动为俯仰运动，绕立轴OY的运动为偏航运动，绕纵轴OX的运动为滚转运动，如图所示。根据飞机绕机体坐标轴的运动形式，飞机飞行时的稳定性可分为纵向稳定性、航向稳定性和横向稳定性。313.4

飞行稳定