《无人机概论》第3章无人机飞行原理ppt课件.pptx

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1、第三章 无人机飞行原理,清华出版社,“十三五”应用型人才培养规划教材无人机应用技术重点专业建设示范教材,目 录,第一节 空气动力学基础,第二节 固定翼无人机飞行原理,第三节 无人直升机飞行原理,第四节 多旋翼无人机飞行原理,一、空气动力学基础,1.大气性质,1、大气组成 大气，是指包围在地球周围的气体，是由干洁空气、水汽和大气杂质等组成的。 干洁空气由78%的氮气、21%的氧气以及1%的其他气体组成，其他气体包含二氧化碳、氩气、氮气、氖气、臭氧等。 2、大气的状态参数和状态方程 大气的状态参数，主要包括压强，温度和密度等3个，这3个参量决定了气体状态，组成气体状态方程：=其中：为空气的压强（P

2、a）；为空气的密度（kg/m）；为大气气动常数，=287.05J/kgKR；为大气的绝对温度（K），它与摄氏度t（）之间的关系为=+273。 1）当温度不变时，压强和密度成正比。 2）当密度不变时，压强与温度成正比。 3）当压强不变时，密度与温度成反比。,一、空气动力学基础,1.大气性质,3、国际标准大气 目前我国采用的是国际标准大气（简称ISA），它是由国际权威性机构或组织颁布了一种“模式大气”，依据实测资料，用简化方式近似地表示大气温度、压强和密度等参数的平均值，形成国际标准大气。 比较通用的国际标准大气规定：大气被看成完全气体，服从气体的状态方程；以海平面的高度为零高度；在海平面上，气温

3、为15，密度为1.225kg/m，声速为341m/s，此条件下的大气压强为一个标准大气压。4、黏性 大气的黏性，是空气在流动过程中表现出的一种物理性质，当空气内部各个层间存在相对运动，相邻的两个运动速度不同的层间相互牵扯的特性，称为空气的黏性。 相邻的具有不同流速的大气层间相互运动时产生的牵扯作用力，称为空气的黏性力。 大气层与层之间的流动速度不同时，流得快的一层（上层）的大气分子由于之不规则运动侵入下层，进而促使下层大气加速，（下层）气体分子会使上层大气减速。产生相互牵扯的内摩擦力，即黏性力。,一、空气动力学基础,1.大气性质,4、黏性 不同流体的黏性是不相同的。流体黏性的大小可以用流体的内

4、摩擦系数来衡量，在常温下，水的内摩擦系数为1.00210-3Pas，而空气的内摩擦系数为1.8110-5Pas，其值仅，为水的1.81%。 流体的黏性和温度有关。随着流体温度的升高，液体的黏性减小，而气体的黏性将增加。 原因：液体产生黏性的原因主要是相邻流动层分子间的内聚力，温度升高，液体分子热运动加剧，分子间的内聚力减小了，故黏性也会减小； 气体产生黏性的原因主要是相邻流动层间产生内摩擦力，温度升高，分子间的横向动量交换也加剧，层与层之间的相互牵扯力也增加，故而黏性增大。5、可压缩性 气体的可压缩性，是指当空气流过物体时，在物体周围各处，气流速度会有增加或减小的变化，相应气体压强会有减小或增

5、大的变化，进而影响其密度和体积也改变的性质。 气体密度的变化就是可压缩性的体现。液体对这种变化的反应很小，因此一般认为液体是不可压缩的；而气体对这种变化的反应很大，所以一般来讲气体是可压缩的。 一般民用固定翼和多旋翼无人机的飞行均认为是低速飞行，不考虑气体的可压缩性。,一、空气动力学基础,2.气体流动的基本规律,1、相对运动原理 根据牛顿三大定律中的作用与反作用定律：两物体间的作用力和反作用力总是作用在一条直线上,大小相等方向相反。 （a）飞机以速度飞行（b）气流以速度流过飞机 两种情况下，在无人机上产生的空气动力完全相等。因此可以把以上两种运动情况看成是等效的。 在实验研究和理论分析中，往往

6、采用让无人机静止不动，而空气以相同的速度沿相反的方向流过无人机表面。 在这个情况下产生的空气动力效果与无人机以同样的速度在空气中飞行所产生的空气动力效果完全一样，这就是飞行中所提出的“相对运动原理”。 风洞实验就是建立在这个原理基础上的。,一、空气动力学基础,2.气体流动的基本规律,2、连续性假设 在标准大气状态下，每1mm3的空间里大约含有2.71016个分子空气，分子之间是存在间隙的。 每个分子在作无规则的热运动，把热运动过程中，空气分子两次碰撞之间所经过的平均路程称为空气分子的平均自由行程。 当飞行器在这种空气中运动时，由于飞行器的外形尺寸远远大于气体分子的自由行程，故在研究飞行器和大气

7、之间的相对运动时，气体分子之间的距离完全可以忽略不计，即把大量的、单个分子组成的大气看成是连续的介质，这就是在进行空气动力学研究时，提出的连续性假设。3、连续性定理 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。 质量守恒定律应用在流体的流动上：当流体在低速、稳定、连续不断地流动时，流管里的任一部分，流体都不能中断或积聚，在同一时间内流进任何一个截面的流体质量和从另一个截面流出的流体质量应当相等。,一、空气动力学基础,2.气体流动的基本规律,3、连续性定理 当气体稳定地、连续不断的流过一个粗细不等的变截面管道时，根据质量守恒定律，流过管道任一截面的气体质量都是相等的

8、。 流过A-A截面的气体质量 m 1 = 1 v 1 A 1 ，流过B-B截面的气体质量 m 2 = 2 v 2 A 2 ，根据质量守恒定律，流过管道任一截面的气体质量相等，则 m 1 与 m 2 应相等，即： 1 = 2 ， 1 1 1 = 2 2 2 截面可以任意选取，因此可以得出，单位时间内流过任何截面的气体质量都是相等的。vA=常数 式中：为大气密度（kg/m3），v为气体的流动速度（m/s），A为所取截面的面积（）。 如果在流动过程中，气体密度不变，则 1 = 2 =，则可简化为： 1 1 = 2 2 上式称为不可压缩流体沿管道流动的连续性方程。,一、空气动力学基础,2.气体流动的基

9、本规律,3、连续性定理 连续性定理：当低速定常流动时，气流速度的大小与流管的截面积成反比。 流体流动速度的快慢，还可用流管中流线的疏密程度来表示，在截面面积大的地方流速低，在截面面积小的地方流速高。 连续性定理只适用于低速（流速低于0.3a，a为声速）的范围，即可认为流体密度不变，该定理不适于亚声速，更不适合于超声速的情况。,一、空气动力学基础,2.气体流动的基本规律,4、伯努利定理 能量守恒定律说明能量不会自行消失，也不会凭空产生，而只能从一形式转化为另一种形式。伯努利定理便是能量守恒定律在空气动力学中的具体应用，它描述流体流动过程中流体压强和速度之间关系的流动规律。 流体没有流动，不同截面

10、处(A、B、C截面)的流体流速均为零，三根玻璃管中的液面高度同容器中的液面高度一样，这表明，此时不同截面处的流体的压强都是相等的。 流体在流动过程中，不同截面处的流体压强也不相同。从实验可以看出，在A-A截面，管道的截面积较大，流体流动速度较慢，玻璃管中的液面较高，压强较大，在C-C截面，管道的截面积较小，流体流动速度较快，玻璃管中的液面较低，压强较小。,一、空气动力学基础,2.气体流动的基本规律,4、伯努利定理 在管道中稳定流动的不可压缩理想流体，在与外界没有能量交换的情况下，在管道各处的流体的动压和静压之和应始终保持不变，即：静压+动压=总压=常数 伯努利定理：流管中，流入流出两端面的能量

11、差等于流体功的增加量。 在低速状态下，且气体不可压缩，可得到伯努利方程： 1 + 1 2 1 2 = 2 + 1 2 2 2 = 0 式中：P代表静压； 代表动压； P 0 代表总压，它是动压与静压之和，也是气流速度为零时的静压。 由连续性定理和伯努利方程联合分析可知，不可压缩的理想流体在变截面管道中流动时，且不予外界发生能量交换，则：流体流过的截面积小的地方，流速就大，动压大，静压小；流体流过的截面积大的地方，流速就小，动压小，静压就大。,目 录,第一节 空气动力学基础,第二节 固定翼无人机飞行原理,第三节 无人直升机飞行原理,第四节 多旋翼无人机飞行原理,二、固定翼无人机飞行原理,1.升力

12、,1、翼型 1）定义及几何参数 机翼横截面的轮廓叫翼型或翼剖面，是指沿平行于无人机对称平面的切平面切割机翼所得到的剖面。直升机的旋翼和螺旋桨叶片的截面也称翼型。1-翼剖面；2-前缘；3-后缘；4-翼弦 翼型的特性对固定翼无人机性能有很大影响，选用最能满足设计要求，其中也包括结构、强度方面要求的翼型是非常重要的。,二、固定翼无人机飞行原理,1.升力,1、翼型 1）定义及几何参数 翼型各部分的名称如图。一般翼型的前端圆钝，后端尖锐，下表面较平，呈鱼侧形。 （1）弦长，连接翼型前缘和后缘的直线段称为翼弦（也称为弦线），其长度称为弦长。 （2）最大厚度位置，翼型最大厚度所在位置离到前缘的距离称为最大厚

13、度位置，通常以其与弦长的比值来表示。 （3）相对厚度，翼型的厚度是垂直于翼弦的翼型上，下表面之间的直线段长度，翼型最大厚度与弦长之比，称为翼型的相对厚度，并常用百分数表示。 （4）相对弯度，是指翼型的最大弯度与弦长的比值，通常用百分数表示。翼型的最大弯度是指翼型中弧线与翼弦之间的最大垂直距离。翼型的相对弯度说明翼型上、下表面外凸程度的差别，相对弯度越大，翼型上、下表面弯曲程度相差也越大；若中线和翼弦重合，翼型将是对称的。,二、固定翼无人机飞行原理,1.升力,1、翼型 2）常用翼型,中小型无人飞机，与一般飞机在气动力上差别不大，翼型的选择可以按常规飞机的设计程序进行。 高空长航时无人飞机以及微型

14、无人飞机则有明显的特殊性，由于高空空气稀薄，高空长航时无人机在飞行时要用大升力系数。此外，它又要留空时间长，所以如果用喷气式发动机的无人机机翼升阻比要大。 根据这个要求，应选择大升阻比对应的升力系数大的翼型，部分高速无人机机翼和尾翼一般采用对称翼型；而低速无人机机翼大多采用平凸或双凸翼型。,二、固定翼无人机飞行原理,1.升力,1、翼型 3）机翼平面形状,各种不同平面形状的机翼，其升力、阻力之所以有差异，与机翼平面形状的各种参数有关。机翼平面形状的几何参数：（1）机翼面积，指机翼在机翼基本平面上投影面积，用S表示。（2）翼展，在机翼之外刚好与机翼轮廓线接触，且平行于机翼对称面(通常是无人机参考面

15、)的两个平面之间的距离称为机翼的展长，用L表示。（3）展弦比，机翼翼展的平方与机翼面积之比，或者机翼翼展与机翼平均几何弦长（机翼面积S除以翼展L）之比，L/S。（4）后掠角，描述翼面特征线与参考轴线相对位置的夹角。用x表示，通常 x 0 表示前缘后掠角， x 0.25 表示1/4弦线后掠角， x 1.0 表示后缘后掠角。后掠角表示机翼各剖面在纵向的相对位置，也即表示机翼向后倾斜的程度，后掠角为负表示翼面有前掠角。,二、固定翼无人机飞行原理,1.升力,2、升力的产生及影响因素 1）升力的产生 翼弦与相对气流速度之间的夹角叫迎角,用a表示。 现在将一个上边凸起,下边微凸的翼型放在流速气流中，根据连

16、续性定理和伯努利定理可知： 在翼型的上表面，因流管变细，即流管截面积减小，气流速度大，故压强减小； 而翼型的下表面,因流管变化不大,故压强基本不变。 翼型上、下表面生了压强差，形成了总空气动力R，R的方向向后向上,总空气动力R与翼弦的交点叫做压力中心。 总空气动力分成两个分力：一个与气流速度垂直，起支托飞机重量的作用,就是升力Y;另一个与流速平行,起阻碍飞机前进的作用，就是阻力D。,升力产生1-空气动力作用点 2-前缘 3-后缘 4-翼弦,二、固定翼无人机飞行原理,1.升力,2、升力的产生及影响因素 1）升力的产生 机翼的压力分布 空气压力是指空气的压强，即物体单位面积上所承受的空气的垂直作用

17、力。凡是比大气压力低的叫吸力(负压力)，凡是比大气压力高的叫压力(正压力)，机翼表面各点的吸力和压力都可用向量表示,向量的长短表示吸力或压力的大小。 压力最低(即吸力最大)的一点,叫最低压力点(B点); 在前缘附近,流速为0,压力最高的一点,叫驻点(A点),由图中可以看出，机翼升力主要靠上表面的吸力，而不是靠下表面的压力。,二、固定翼无人机飞行原理,1.升力,2、升力的产生及影响因素 2）升力公式 = 1 2 2 式中：为升力(N)， 为升力系数，为空气密度(kg/m3)， 为相对气流速度(m/s)，为机翼面积(m2)。 影响升力的因素主要有： （1）机翼面积的影响 （2）相对气流速度的影响

18、（3）空气密度的影响 （4）升力系数的影响,二、固定翼无人机飞行原理,1.升力,2、升力的产生及影响因素 3）升力系数 翼型和迎角对升力的影响，可以通过升力系数 C y 表现出来，某翼型的升力系数随迎角的变化曲线。 在一定的翼型的情况下，升力系数起初随迎角增大而增大； 但当随着迎角继续增加，升力曲线逐渐变弯，到临界迎角时，升力系数达到最大值，之后再增大迎角，升力系数反而减小，出现失速现象。,二、固定翼无人机飞行原理,1.升力,2、升力的产生及影响因素 3）升力系数 失速，是指当迎角增大到一定程度时，气流会从机翼前缘开始分离，尾部会出现很大的涡流区，这时，升力会突然下降，而阻力却迅速增大，这种现

19、象称为失速。失速刚刚出现时的迎角称为“临界迎角”，某翼型在020迎角下模拟飞行状态，可以看到16是失速迎角，此时尾部出现涡流区。在三种情况下，迎角容易超过临界迎角：低速飞行高速飞行转弯飞行,失速时，常常伴随着螺旋，也就是当一侧机翼先于另一侧机翼先失速，无人机会朝先失速的一侧机翼方向沿纵轴旋转，称为螺旋。改出螺旋的基本方法：推杆到底，并向反方向拉杆，如果发动机是高速运转，必须立即收油门，向螺旋相反方向打舵，螺旋停止后，使用失速改平的方法改出。,二、固定翼无人机飞行原理,1.升力,3、增升装置 可采用以下增升原则： 增大升力系数：改变机翼剖面形状、增大机翼弯度； 增大机翼面积； 改变气流的流动状态

20、、控制机翼上的附面层、延缓气流分离。,前缘增升装置（a）前缘襟翼；（b）机翼前缘下垂；（c）前缘缝翼；（d）克鲁格襟翼。,后缘增升装置（a）简单襟翼；（b）开裂襟翼；（c）单缝襟翼；（d）富勒襟翼；（e）双缝襟翼；（f）三缝襟翼。,二、固定翼无人机飞行原理,2.阻力,1、阻力的产生及影响因素 低速飞行时，阻力按其产生的原因不同，可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力。 1）摩擦阻力 摩擦阻力，是由于大气的黏性而产生的。当气流以一定速度v流过无人机表面时，由于空气的黏性作用，空气微团与无人机表面发生摩擦，阻滞了气流的流动，因此产生了摩擦阻力。 摩擦阻力的大小，取决于空气的黏性、无人机表面的

21、状况，附面层中气流的流动情况和同气流接触的无人机表面积的大小。 减少摩擦阻力，可以减少无人机同空气的接触面积，也可以把表面做光滑些，以减少它的摩擦阻力，也可选择升阻比大的翼型，以及减小气流相对速度。 2）压差阻力 压差阻力，是由运动着的物体前后所形成的压强差产生的。,二、固定翼无人机飞行原理,2.阻力,1、阻力的产生及影响因素 2）压差阻力 压差阻力的大小，与物体的迎风面积、形状以及在气流中的位置有关。,物体的迎风面积越大，压差阻力也就越大；机身横截面的形状应采取圆形或近似圆形，因为相同体积下圆形的面积数较小。,在迎风面积相同的条件下，将物体做成前端圆钝、后端尖细的流线型可以大大减小物体的压差

22、阻力，其压差阻力最小,二、固定翼无人机飞行原理,2.阻力,1、阻力的产生及影响因素 3）诱导阻力 诱导阻力是伴随着升力而产生的，如果没有升力，诱导阻力为零。因此，这个由升力诱导而产生的阻力叫做诱导阻力，又叫做升致阻力。 固定翼无人机飞行时，下表面压强大，上表面压强小，下表面的气流就力图绕过翼尖流向上表面。 翼尖涡流在机翼附近会产生诱导速度场，在整个机翼展长范围内方向都是向下的，称为下洗流，在下洗流的作用下，原来的气流速度由变为 ，由 v 所产生的升力 Y 垂直于 v 。而 Y 又可分解为垂直于v的分量Y和平行于v的分量D，其中Y起着升力的作用，而D则起着阻碍无人机飞行的作用，因此，由于下洗流的

23、影响产生的这个附加的阻力D就是诱导阻力。,二、固定翼无人机飞行原理,2.阻力,1、阻力的产生及影响因素 4）干扰阻力 干扰阻力，是无人机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外阻力。干扰阻力主要产生在机身和机翼、机身和尾翼、机翼和发动机短舱、机翼和副油箱之间。 气流流过机翼和机身的连接处，在机翼和机身结合的中部，由于机翼表面和机身表面都向外凸出，流管收缩；而在后部由于机翼表面和机身表面都向内弯曲，流管扩张，在这里形成了一个截面面积先收缩后扩张的气流通道。 气流在流动过程中，压强先变小后变大，因此，导致后边的气流有往前回流的趋势，形成一股逆流，逆流与迎面气流相遇，互相干扰，因此叫干扰阻力。 为减

24、少干扰阻力，在设计中，应妥善考虑和安排各部件的相对位置，同时加装整流片，连接过渡圆滑，减小旋涡的产生。,二、固定翼无人机飞行原理,2.阻力,2、总阻力 1）总阻力分析 摩擦阻力、压差阻力和干扰阻力统称为零升阻力或废阻力。 总阻力=废阻力+诱导阻力 某翼型的无人机总阻力随速度变化曲线： 诱导阻力是随着速度的增大而降低的，而废阻力是随着速度的增大而增大的，当诱导阻力和废阻力相等时，总阻力最小。,二、固定翼无人机飞行原理,2.阻力,2、总阻力 2）阻力公式 经过理论和实验证明，可得出阻力公式如下： = 1 2 2 式中：X为阻力(N)， C x 为阻力系数， 为空气密度(kg/m3)，v为相对气流速

25、度(m/s)，S为机翼面积(m2)。 3）阻力系数 某翼型的阻力系数曲线，反映了阻力系数随迎角变化的规律，从图中可见，阻力系数随着迎角的增大而不断增大，在小迎角下，阻力系数较小，且增大较慢；在大迎角下，阻力系数增大得较快；超过临界迎角后，阻力系数急剧增大。,二、固定翼无人机飞行原理,3.升阻比,升阻比，是在相同迎角下，升力 同阻力 之比，即升力系数与阻力系数之比。公式如下：= = ( 1 2 2 ) ( 1 2 2 ) = 将某机型的升阻比曲线，如图所示。 升阻比曲线表达了升阻比随迎角变化的规律，从曲线可以看出，升阻比存在一个最大值，叫最大升阻比，此时对应的迎角叫做最小阻力迎角 e ，也叫有利

26、迎角。在最小阻力迎角下飞行是最有利的，因为这时产生相同的升力，阻力最小，空气动力效率最高。,二、固定翼无人机飞行原理,4.拉力,大部分的轻微型民用固定翼无人机都是依靠螺旋桨产生拉力/推力（实质上，拉力也是推力，只是对于螺旋桨无人机，习惯上称为拉力）。1、螺旋桨介绍 螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的桨叶与毂相连，螺旋桨的拉力是电动固定翼无人机和油动固定翼无人机常用的前进动力。 桨叶的平面形状很多，使用较多的有普通桨叶、矩形桨叶和马刀形桨叶三种。,二、固定翼无人机飞行原理,4.拉力,大部分的轻微型民用固定翼无人机都是依靠螺旋桨产生拉力/推力（实

27、质上，拉力也是推力，只是对于螺旋桨无人机，习惯上称为拉力）。1、螺旋桨介绍 1）右旋螺旋桨和左旋螺旋桨 站在螺旋桨后面（从机尾看向机头）来观察螺旋桨旋转。如果看到螺旋桨是顺时针方向旋转，这种螺旋桨称为右旋螺旋桨，反之称为左旋螺旋桨。 2）螺旋桨直径 螺旋桨直径，是指螺旋桨两个桨尖之间的距离。也可以认为是螺旋桨旋转时最大旋转面的直径。 3）桨叶角 螺旋桨旋转时，通过螺旋桨上一点并且垂直与旋转轴的一个假想的平面称为旋转平面。 桨叶角，是指桨叶剖面的弦线与旋转平面之间的夹角称为桨叶角。,二、固定翼无人机飞行原理,4.拉力,1、螺旋桨介绍 4）旋转速度 旋转速度，是指螺旋桨旋转时桨叶上任一剖面延圆周切

28、线方向的旋转线速度U。=2 为螺旋桨每分钟的旋转圈数，r为桨叶上任一剖面到旋转轴的距离。 5）前进速度 飞行时，由于桨叶随着无人机一起运动，所以螺旋桨的前进速度等于无人机的飞行速度V。 6）合速度 合速度，是指螺旋桨旋转时产生拉力，使无人机向前飞行。 7）桨叶迎角 桨叶迎角，是指桨叶剖面的弦线与合速度方向之间的夹角。如果无人机没有前进速度，那么桨叶角就等于桨叶迎角。所以一般情况，桨叶迎角总是小于桨叶角的。 8）气流角 气流角，是指合速度W与旋转速度之间的夹角。,二、固定翼无人机飞行原理,4.拉力,2、螺旋桨工作原理 1）受力分析 空气以一定的迎角流向桨叶时，气流流过桨叶前桨面，就像流过机翼上表

29、面一样，流管变细，流速加快，压强降低；空气流过桨叶后桨面，就像流过机翼下表面一样，流管变粗，流速减慢，压强升高。 气流流近桨叶前缘，受到阻挡，流速减慢，压强升高；流近桨叶后缘，气流分离，形成涡流区，压强降低。 这样，在桨叶的前后桨面和前后缘均形成压强差，再加之气流作用于桨叶上的摩擦阻力，就构成了桨叶上的总空气动力R，根据总空气动力R对螺旋桨运动所起的作用，可将它分解成两个分力，一个是与桨轴平行、拉着螺旋桨和无人机前进的拉力P；另一个是与桨轴垂直、阻碍螺旋桨旋转的旋转阻力Q。 2）影响因素 影响螺旋浆的拉力和旋转阻力的因素主要有：桨叶迎角、桨叶切面合速度、空气密度、螺旋桨直径、桨叶数目、桨叶切面

30、形状及维护使用情况等。,二、固定翼无人机飞行原理,4.拉力,3、螺旋桨的副作用 1）螺旋桨的进动 当无人机在俯仰运动或转动时，即螺旋桨转轴受到操纵力矩作用时，螺旋桨并不完全按照预定的方向转动，而是会绕另一个方向偏转，这种现象叫做螺旋桨的进动。 从机尾向机头看去，螺旋桨顺时针转动时，如果拉杆使机头上仰，给螺旋桨一个上仰力矩。当螺旋桨叶转到垂直位置时，上方桨叶受到一个向后的作用力F1，产生了向后的加速度，下方桨叶受到一个向前的作用力F2，产生了向前的加速度。经顺时针转动，原来的上方桨叶转到右边时，出现向后的速度V，原来在下方的桨叶转到左边时，出现向前的速度V，于是螺旋桨向右进动，并带动无人机向右偏

31、转。,二、固定翼无人机飞行原理,4.拉力,3、螺旋桨的副作用 2）螺旋桨的反作用力矩 螺旋桨在旋转中会对空气产生作用力，根据作用力和反作用力定律，空气也会对螺旋桨产生一个大小相等方向相反的反作用力，即旋转阻力，旋转阻力对桨轴形成的力矩，称为螺旋桨的反作用力矩。 克服反作用力矩对飞行的影响，一般可通过调整重心位置，使重心偏出对称面一定距离，利用无人机升力对重心的滚转力矩的方法来抵消反作用力矩； 还可通过安装发动机的拉力线/推力线与纵轴形成一定的夹角的方法来抵消反作用力矩。,二、固定翼无人机飞行原理,4.拉力,3、螺旋桨的副作用 3）螺旋桨滑流的扭转作用 螺旋桨转动时，桨叶拨动空气，使空气后加速流

32、动且还顺着螺旋桨的旋转方向扭转流动，这种由螺旋桨的作用而向后加速和扭转的气流，叫做螺旋桨的滑流。 假设从机尾向机头看去，螺旋桨顺时针旋转，滑流流过机翼，被分成上、下两层，上层滑流自左向右后方扭转，下层滑溜自右向左后方扭转。 一般情况下，机身尾部和垂直尾翼都受到滑流上层部分的影响，即滑流的上层部分，如图所示，螺旋桨产生的上层滑流从左方作用于机身尾部和垂直尾翼，产生向右的空气动力，对无人机重心形成偏转力矩，使机头向左偏转。,二、固定翼无人机飞行原理,5.平衡,1、重心 无人机部件和机载设备的重量之和称为重力，而重力的作用点就是无人机的重心。 重心位置通常用重心在平均空气动力弦长上的投影点到前缘的距

33、离X重占平均空气动力弦bMC的百分数来表示，即：X= X 重 MC 100% 平均气动弦长，指的是假想的矩形翼的翼弦，该矩形翼的面积、空气动力以及俯仰力矩等特性，都与原机翼等效。,二、固定翼无人机飞行原理,5.平衡,2、坐标轴无人机的任何一种运动都可以分解成全机随着重心的移动和绕重心的转动。研究固定翼无人机飞行运动时选取机体坐标原点是与机体固连，原点位于机体的重心O。 纵轴，通过重心，位于无人机对称面内，沿机身轴线，箭头指向机头方向。无人机绕纵轴的转动叫滚转或横滚运动。 立轴，通过重心，在无人机对称面内，并与纵轴垂直的直线指向上方。无人机绕立轴的转动叫偏转或偏航运动。 横轴，通过重心并与对称面

34、垂直，箭头指向右机翼。无人机绕横轴的转动叫俯仰运动。,二、固定翼无人机飞行原理,5.平衡,3、纵向平衡 纵向平衡，是指无人机在纵向平面内作等速直线飞行，并且不绕横轴转动的运动状态。 为了使无人机不绕横轴转动，保持纵向平衡，应使无人机的上仰力矩总和等于下俯力矩总和，即： 翼 + 身 += 尾 式中： 翼 为机翼升力； 尾 为水平尾翼升力； 身 为机身升力；为空气阻力；为发动机推力（螺旋桨拉力/推力）；为这些力到飞机重心的垂直距离。,二、固定翼无人机飞行原理,5.平衡,4、横向平衡 横向平衡，是指无人机作等速直线飞行，并且不绕纵轴滚转的运动状态。 为了使无人机不绕纵轴转动，保持横向平衡，应使无人机

35、的右倾力矩总和等于左倾力矩总和，即： 右 + 左 = 左 + 右 式中： 右 左 为右机翼和左机翼的升力； 左 右 为右机翼和左机翼上的载重；为这些力到飞机重心的垂直距离。,二、固定翼无人机飞行原理,5.平衡,5、航向平衡 航向平衡，是指无人机作等速直线飞行，并且不绕立轴转动的飞行状态。 为了使无人机不绕立轴转动，保持航向平衡，应使无人机的左转航向力矩总和等于右转航向力矩总和， 左 + 右 = 右 + 左 式中： 左 、 右 为左侧和右侧的阻力； 左 、 左 为左发动机和右发动机的推力； 为这些力到无人机重心的垂直距离。,二、固定翼无人机飞行原理,6.稳定性,通常将稳定性分为静稳定性和动稳定性

36、。 静稳定性是指在飞行过程中，如果无人机受到扰动而偏离原来的平衡状态，扰动消失以后，不经人为操纵，无人机具有自动恢复到原来平衡状态的趋势，则称其具有静稳定性。1、纵向静稳定性 纵向静稳定性，是指当无人机受到微小扰动而偏离原来纵向平衡状态，并在扰动消失以后，能自动恢复到原来纵向平衡状态的特性。 无人机的纵向稳定性主要取决于无人机重心的位置，只有当重心位于焦点前面时，无人机才是纵向稳定的； 如果重心位于焦点之后，无人机则是纵向不稳定的。,二、固定翼无人机飞行原理,6.稳定性,2、横向静稳定性 横向静稳定性，是指无人机受扰动以致横向平衡状态遭到破坏，在扰动消失后，无人机自身能产生一个恢复力矩，使其趋

37、向于恢复原来的平衡状态。反之，就没有横向静稳定性。 1）机翼上反角的作用 因上反角的作用，右翼有效迎角增大，升力也增大；左翼则相反，有效迎角和升力都减小。左右机翼升力之差形成的滚转力矩，力图减小或消除倾斜，进而消除侧滑，使无人机具有自动恢复横向平衡状态的趋势。 具有机翼上反角的无人机具有横侧向稳定性。,二、固定翼无人机飞行原理,6.稳定性,2、横向静稳定性 横向静稳定性，是指无人机受扰动以致横向平衡状态遭到破坏，在扰动消失后，无人机自身能产生一个恢复力矩，使其趋向于恢复原来的平衡状态。反之，就没有横向静稳定性。 2）机翼后掠角的作用 具有机翼后掠角的无人机具有横侧向稳定性。 3）垂直尾翼的作用

38、 垂直尾翼也对横向稳定性有一定作用，当无人机出现侧滑角时，在垂直尾翼上会产生侧力，因为垂直尾翼一般在机身的上方，因此这个侧力能提供一个滚转力矩，即横向恢复力矩，因此，垂直尾翼也具有横向稳定性作用。,二、固定翼无人机飞行原理,6.稳定性,3、航向静稳定性 航向稳定性，是指无人机飞行受到扰动以致方向平衡状态遭到破坏，而在扰动消失后，无人机能趋向于恢复原来的平衡状态。反之，就没有航向静稳定性。 假设当有外界扰动从左前方吹来，使无人机偏离了原来的航向，产生向右的侧滑，相对气流方向和固定翼无人机的对称面之间有一个侧滑角，此时，空气从无人机的左前方吹来作用在垂直尾翼上，产生向右的附加侧力Z，此力对无人机重

39、心形成一个方向稳定力矩，力图使机头左偏，消除侧滑，使无人机趋向于恢复方向平衡状态。 因此，垂直尾翼具有航向稳定性的作用。,二、固定翼无人机飞行原理,7.操纵性,操纵性，是指无人机驾驶员通过操纵遥控器来改变固定翼无人机上的操纵舵面（升降航、方向舵和副翼），实现改变无人机飞行状态的能力。1、纵向操纵性 纵向操纵性，是指当操纵升降舵，无人机绕横轴转动产生俯仰运动。 通过操纵升降舵向上偏转，在平尾上产生向下的附加升力L尾 ，该力对无人机重心形成使无人机抬头的操纵力矩，在该力矩作用下，原有的平衡状态即被破坏，无人机便绕横轴转动，使迎角增大，由于迎角增大，产生附加升力L，作用点是无人机焦点。 对于静稳定的

40、无人机，焦点位于重心之后，附加升力L对重心形成俯仰稳定力矩，方向与操纵力矩相反，当迎角不断增大，最终使得稳定力矩与操纵力矩相等时，无人机的迎角将不再增大，无人机便在新的迎角下保持平衡飞行 操纵力矩 = 稳定力矩,二、固定翼无人机飞行原理,7.操纵性,2、横向操纵性 横向操纵性，是指在飞行过程中，操纵副翼，无人机绕纵轴滚转或改变其滚转角速度和倾斜角等飞行状态的特性。 向左压副翼杆，左翼向上偏转，右副翼向下偏转，这时左机翼升力减小，右机翼升力增大，则产生左滚的滚矩，使无人机向左倾斜。,二、固定翼无人机飞行原理,7.操纵性,3、航向操纵性 航向操纵性，是指当操纵偏转方向舵后，无人机绕竖轴转动而改变其

41、侧滑角等飞行状态的特性。 航向操纵主要通过方向舵实现，操纵方向杆向右，方向舵向右偏转，在垂直尾翼上产生向左的侧向力Y，该力对重心形成使机头向右偏的航向操纵力矩，使无人机产生向右偏航及侧滑角，由于侧滑角的出现，在垂直尾翼、机翼、机身等部件上又会引起侧向力，其合力对无人机重心形成使机头向左偏转的航向静稳定力矩。,目 录,第一节 空气动力学基础,第二节 固定翼无人机飞行原理,第三节 无人直升机飞行原理,第四节 多旋翼无人机飞行原理,三、无人直升机飞行原理,1.升力,旋翼，是直升机产生空气动力的主要部件，直升机的性能好坏也取决旋翼的空气动力特性。对直升机来说，旋翼既起到了无人机机翼的作用，又起到了螺旋

42、桨的作用。 直升机旋翼升力的产生，与固定翼机翼的升力原理和螺旋桨原理相似。直升机在无风条件下做垂直升、降或悬停运动，都可以认为旋翼处于垂直飞行状态，也称为轴流状态。 直升机在垂直飞行状态（轴流状态）时，每片桨叶受到的作用力，除桨叶自身重力外，还有桨叶的拉力和惯性离心力。由于旋翼周向气流是对称的，每片桨叶在旋转一周中，拉力和惯性离心力不变，所以，桨叶在各个方向上扬起的角度均相同，主旋翼上的拉力如图。,三、无人直升机飞行原理,2.旋翼运动,1、挥舞运动 为了避免由于气流不对称造成直升机倾覆，桨叶在旋转中自由地上下运动，化解左右不对称气流对旋翼拉力的影响，即挥舞运动。 桨叶挥舞是消除桨叶拉力不对称性

43、的主要方式。 1）相对气流不对称性 悬停时，直升机在空中悬停或垂直升降时，旋翼处在轴流状态下桨叶各切面的周向气流速度的大小，等于该切面的圆周速度，且不随方位角改变。 前飞时，桨叶各切面的周向气流速度，在不同的方位是不相同的。在方位角90处，拉力最大，后行桨叶的相对气流速度最小，则产生的拉力小，在方位角270处，拉力最小，这样，就形成了旋翼左右两边拉力不对称的现象。,三、无人直升机飞行原理,2.旋翼运动,1、挥舞运动 2）迎角不对称性 安装有挥舞铰的直升机前飞中，在桨叶相对气流不对称的影响下，因挥舞速度不同也会引起桨叶迎角变化如图。 在前飞的前行桨叶区，由于流经桨叶的相对气流速度增大，桨叶拉力也

44、增大，桨叶绕挥舞铰向上挥舞，产生自上而下的相对气流，使桨叶迎角减小，于是桨叶拉力也减小，桨叶向上挥舞速度越大，桨叶迎角减小越多。可见，桨叶在上挥的过程中，可以自动调整自身的拉力，结果使拉力大致保持不变。 3）挥舞铰的作用 在桨叶相对气流不对称性的影响下，因挥舞速度不同所引起的桨叶迎角不对称性，相对气流不对称性和角不对称性促使桨叶在各个方位的拉力大致保持不变。 旋翼装有挥舞铰后，不仅消了横侧不平衡力矩，就连拉力的不对称也基本消除了。,三、无人直升机飞行原理,2.旋翼运动,2、摆振运动 1）科氏力 桨叶向上挥舞时，桨叶旋转角速度增大，桨叶加速旋转；桨叶向下挥舞时，桨叶旋转角速度减小，桨叶减速旋转。

45、可见，在桨叶挥舞时，在旋转面内有一个促使转速变化的力作用在桨叶上，这个力称为科氏力。 2）摆振铰的作用 采用摆振铰可以使桨叶受到科氏力作用后，在旋转平面内绕摆振铰前后摆定角度，消除了桨根受到的科氏力矩的影响，以减小桨叶的受载桨叶上挥，科氏力使桨叶向前摆动；桨叶下挥，科氏力使桨叶向后摆动。,三、无人直升机飞行原理,2.旋翼运动,3、变距运动 桨叶绕变距铰转动来改变安装角或桨叶角，称为桨叶变距。 通常通过操纵总距杆来一起改变所有桨叶的桨距，通过周期变距杆来周期性地改变桨叶的桨距。 桨叶的变距还可通过操纵自动倾斜器来实施。当自动倾斜器运动时，可使桨叶的桨叶角既可周期变化，也可同时变化。,三、无人直升

46、机飞行原理,3.稳定性,稳定性，是直升机的一种运动属性，通常指直升机保持固有运动状态或抵制外界扰动的能力。直升机的静稳定性是指平衡状态被破坏瞬间的直升机运动趋势，包括3种形式：静稳定的、静不稳定的和中性稳定的。影响直升机稳定性的影响因素很多，主要有如下两点：（1）飞行速度。在低速前飞时平尾提供静不稳定力矩，但随着前飞速度增加，当旋翼尾流不影响到平尾时，平尾能改善直升机的速度稳定性；同时在较大速度下，平尾也能改善直升机的迎角稳定性。（2）重心位置。直升机重心对迎角稳定性有明显的影响，后重心时的迎角不稳定性要比正常重心时严重，这是由于旋翼拉力增量对重心产生的力矩是不稳定的抬头力矩。为了使旋冀对迎角

47、的不稳定程度不是太严重，要严格限制直升机的后重心。,三、无人直升机飞行原理,4.操纵性,1、操纵方式 直升机的操纵都是通过主旋翼及尾桨来实现的，由于直升机的纵向移动与俯仰转动、横侧移动与滚转是不能独立分开的，因此直升机的操纵主要有以下4种方式： （1）垂直运动操纵。通过总距杆改变旋翼桨叶角而改变旋翼拉力，操纵直升机升降改变升力的大小来实现。 （2）纵向运动操纵。通过改变旋翼纵向倾斜角而改变拉力方向，产生附加纵向力来操纵直升机前进或后退。 （3）横侧运动操纵，通过改变旋翼横向倾斜角而改变拉力方向，产生附加横侧力来实现。 （4）航向运动操纵，通过改变尾桨拉力大小，改变尾桨桨距而改变尾桨拉力来保证原

48、定航向或进行左右转弯。,三、无人直升机飞行原理,4.操纵性,2、操纵方法 直升机的操纵系统，是指传递操纵指令、进行总操纵、变距操纵和航向操纵的操纵机构和操纵线路。 1）总距操纵 总距操纵，是通过操纵自动倾斜器调节变距铰，使各片桨叶的安装角同时增大或减小，进而使主旋翼的总桨距改变，从向改变旋翼拉力F的大小。当拉力F大于直升机重力G时，直开机就上升，反之，直升机则下降。,三、无人直升机飞行原理,4.操纵性,2、操纵方法 2）变距操纵 变距操纵，是通过操纵自动倾斜器调节变距铰，使桨叶的桨距周期性地改变，也就是说，旋翼每片桨叶的桨距在每一转动周期(即每转一周)，先增大到某数值然后下降到某一最小数值，周

49、而复始，从而使桨叶升力周期改变，并由此引起桨叶周期挥舞。,目 录,第一节 空气动力学基础,第二节 固定翼无人机飞行原理,第三节 无人直升机飞行原理,第四节 多旋翼无人机飞行原理,四、多旋翼无人机飞行原理,操纵性,以X型布局的四旋翼无人机为例，介绍其操纵性，其余布局的多旋翼无人机操纵方法有差异，但是遵循的基本原则是相同的。 X型四旋翼无人机通过控制1-4电动机带动螺旋桨旋转，提供无人机升力 1 、 2 、 3 、 4 。由于电动机和螺旋桨的旋转运动会对机体本身产生反转矩 1 、 2 、 3 、 4 ，若四个电动机同顺时针转动，将导致机体沿逆时针方向自旋，因此，在X型四旋翼无人机中，采用对角电机同

50、向转动，相邻电机反向转动的方式安排，抵消反转矩。如图所示，电机1和电机3逆时针转动、电动机2和4则顺时针转动，四个电机的反转矩彼此抵消。 左 + 右 = 右 + 左 ,四、多旋翼无人机飞行原理,操纵性,1、垂直运动 垂直运动，是指无人机克服自身重力进行上升和下降的运动。是其最基本的功能，X型四旋翼无人机升降运动是指无人机沿着立轴上下垂直运动，四个旋翼由电机带动旋转，产生向上的 1 、 2 、 3 、 4 ，这四个升力的大小相同，因此，产生的总升力 为 ：= 1 + 2 + 3 + 4 式中， 为无人机总升力。 若要无人机能起飞，总升力 必须大于重力，当飞行至规定高度后，要进行升降运动，则通过调