《无人机系统导论》课件3.2飞行器.pptx
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1、3.2飞行器飞行器是无人机系统的核心部分,本节将从空气动力学基础知识开始,理解飞行器的性能、稳定性及控制等,对其动力推进、结构及承载也做了简单介绍。3.2.1 空气动力学基础 作用在飞行器上的力主要有推力、升力、阻力和重力。升力由机翼提供,推力由引擎提供,重力由地心引力产生,阻力由空气产生,飞机若保持平稳匀速的飞行,就需要遵守牛顿定律,那么它们的合力就要为零。图3.2.1 作用在飞机上的力3.2.1 空气动力学基础 力的不平衡会影响飞机的速度,而弯矩的不平衡则会影响飞机的滚转、偏航和俯仰,如图3.2.2所示。图3.2.2 弯矩对飞机的影响3.2.1 空气动力学基础1.机翼是一架飞机中最重要的部
2、分,飞机能在空中飞行完全是靠机翼的浮力,而机翼的剖面通常称为翼型。图3.2.3 各类翼型3.2.1 空气动力学基础2.无论是哪种翼型,在无人机飞行期间,都会产生阻力,而阻力越大,飞机就会越慢,所以必须尽可能的克服阻力。图3.2.4 形状阻力示意图磨擦阻力:空气分子与飞机磨擦产生的阻力,这是最容易理解的阻力但不很重要,只占总阻力的一小部分,当然为减少磨擦阻力还是尽量把飞机磨光。形状阻力:物体前后压力差引起的阻力,平常汽车广告所说的风阻系数就是指形状阻力系数,如图3.2.4所示。3.2.1 空气动力学基础诱导阻力:机翼的翼端部因上下压力差,空气会从压力大往压力小的方向移动,部份空气不会规规矩矩往后
3、移动,而从旁边往上翻,因而在两端产生涡流,如图3.2.5所示。图3.2.5 涡流产生示意图3.2.1 空气动力学基础从而产生阻力,这现象在飞行表演时,飞机翼端如有喷烟时可看得非常清楚,你可以注意涡流旋转的方向。图3.2.6 涡流旋转方向3.2.1 空气动力学基础图3.2.7 NASA拍摄图片3.2.1 空气动力学基础寄生阻力:所有控制面的缝隙如主翼后缘与副翼间、主翼及尾翼与机身接合处、机身开孔处、机轮及轮架、拉杆等除本身的原有的阻力以外,另外衍生出来的阻力,如图3.2.8所示。图3.2.8 寄生阻力示意图3.2.1 空气动力学基础3.机翼布局 机翼的选择对无人机有很大的影响。下面,简单介绍下常
4、见的几种垂直起降的飞机机翼布局。(1)单主旋翼(SMR):主旋翼转矩会使机体向主旋翼旋转方向相反的方向转动,通常用一个较小的、产生侧向推力的尾旋翼进行平衡,这个尾旋翼将使主旋翼的功率需求增加10%。图3.2.10 单主旋翼无人机3.2.1 空气动力学基础(2)共轴双旋翼:该布局主要来自俄罗斯的Mil.制造商,其应用范围有限。图3.2.11 共轴双旋翼无人机3.2.1 空气动力学基础(3)四旋翼:近年来,四旋翼飞行器甚至是六旋翼飞行器均受高校及一些研究机构的热衷,市面上各种四旋翼无人机更是层出不穷。图3.2.12 四旋翼无人机3.2.2 性能 无人机最重要的两个性能就是航程与航时。航程是指飞机在
5、自身燃料消耗完前所能航行的最远路程,航时与之相对应,是指飞机在燃料耗尽前维持在空中飞行的最长时间。在无人机领域,航程与航时均是其软肋,因为这两个性能除了与飞机的设计参数、任务载荷重量等相关,最大的影响是其燃料的消耗。对于螺旋桨推进式的无人机,其航程与航时由单位耗油率来决定,而喷气式无人机,其性能由单位推力耗油率来决定。对于目前市面上较多的多旋翼飞行器来说,其性能主要由其电池的电量来决定。3.2.3 稳定性和控制 无人机稳定性是指在小扰动下,物体保持当前静止或运动状态的趋势。一架无人机要维持飞行就必须是稳定的。无人机稳定性又分为静稳定性与动稳定性,静稳定性是指当飞机遭受阵风或其他力干扰后,作用在
6、飞机上的推力、重力和空气动力等各种力的作用方向趋向于使机体回复其初始平衡位置。假如飞行器不是静稳定的,那么即使极微小的扰动都会导致飞行器持续不断地偏离其初始飞行状态。虽然一架静稳定的飞机会在其受到扰动后有回复其初始位置的“趋势”,但是这种回复可能会过量,转换方向,向相反方向运动,回来时再次过量,从而最终导致振动破坏。如果这种振荡被衰减并且最终消失,那么飞机就是动稳定的。3.2.3 稳定性和控制 1、水平起降无人机 水平起降无人机的基本飞行参数包括:飞行方向、飞行速度、高度、爬升率。飞行方向或称为飞行航向,是通过方向舵和副翼的偏转进行组合控制的,水平速度通过发动机推力的调整和升降舵的偏转来控制,
7、给定高度下的发生率通过升降舵偏转和发动机推力变化的组合来设置。图3.2.13 水平起降飞机的气动控制舵面结构布局图3.2.3 稳定性和控制 1、水平起降无人机 实际中,飞机在空中会受到各种气流等外界因素的影响,如果无人机要保持稳定的飞行,就需要一套自身的稳定系统对无人机进行控制。图3.2.14 水平起降飞机基本自动飞行控制系统3.2.3 稳定性和控制2、单主旋翼直升机单主旋翼(SMR)直升机的结构布局适合于中小型直升机,而纵列式旋翼结构布局更适合于大型直升机。因为中小型直升机的需求是远远大于大型直升机的,所以单主旋翼直升机的利用率会更高一些。图3.2.16 SMR直升机控制3.2.3 稳定性和
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- 无人机系统导论 无人机 系统 导论 课件 3.2 飞行器