無(wú)人機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)

與飛行原理

（第二版）

（1）空氣動(dòng)力學(xué)的定義和研究方法空氣動(dòng)力學(xué)研究物體和空氣之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及作用力所服從的規(guī)律。

（1）實(shí)驗(yàn)研究方法。（2）理論分析方法。①通過(guò)實(shí)驗(yàn)或觀察，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析研究。②運(yùn)用基本的定律、原理和數(shù)學(xué)分析，建立數(shù)學(xué)方程。③利用各種數(shù)學(xué)方法準(zhǔn)確地或近似地解出方程。④對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行分析、判斷，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與之比較。⑤考慮未計(jì)及的因素，對(duì)公式或結(jié)果進(jìn)行必要的修正。

（3）數(shù)值計(jì)算方法。無(wú)人機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容（1）基本理論方面。闡明無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中與周圍空氣相互作用的空氣動(dòng)力現(xiàn)象、流動(dòng)現(xiàn)象、流場(chǎng)分布等，分析空氣流動(dòng)時(shí)無(wú)人機(jī)的受力情況，以便對(duì)無(wú)人機(jī)的幾何外形進(jìn)行改造，來(lái)改善無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)特性，提高無(wú)人機(jī)的飛行性能，增進(jìn)飛行品質(zhì)。（2）性能計(jì)算方面。在理論和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析主要構(gòu)造參數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行性能的影響，建立無(wú)人機(jī)的空氣動(dòng)力計(jì)算方法，為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)所用。（3）飛行力學(xué)方面。主要包括性能計(jì)算，如速度、高度、航程和燃油消耗量的定量計(jì)算；飛行動(dòng)力學(xué)正解技術(shù)以及飛行動(dòng)力學(xué)逆解技術(shù)（由給定的飛行軌跡求解所需的操縱規(guī)律等）（4）飛行品質(zhì)方面。研究整架無(wú)人機(jī)的平衡問(wèn)題及其對(duì)控制系統(tǒng)與功率變化的反應(yīng)；分析無(wú)人機(jī)在各種飛行狀態(tài)下的穩(wěn)定性及操縱性，包括對(duì)大氣紊流的反應(yīng)及如何控制的問(wèn)題等。大氣飛行環(huán)境飛行器在大氣層內(nèi)飛行時(shí)所處的環(huán)境條件，稱為大氣飛行環(huán)境。大氣層的上界可能延伸到離地面6400公里左右。（1）干空氣的組成包括78%的氮?dú)狻?1%的氧氣，以及少量的其他氣體，如氬氣、二氧化碳、氖氣和臭氧等。

（2）水蒸汽是低層大氣的重要成分，含量不多，只占大氣總?cè)莘e的0.4%，是大氣中含量變化最大的氣體。

（3）粉塵顆粒物主要是懸浮在大氣中的固態(tài)、液態(tài)的微粒，主要來(lái)源于有機(jī)物燃燒的煙粒、風(fēng)吹揚(yáng)起的塵土、火山灰塵、寧宙塵埃及工業(yè)排放物等，大多集中在大氣底,太陽(yáng)輻射和地面輻射具有一定的吸收和散射作用，影響著大氣溫度的變化。雜質(zhì)大部分是吸濕性的，往往成為水汽凝結(jié)的核心大氣的分層

大氣層的空氣密度隨高度而減小，越高空氣越稀薄，但沒(méi)有明顯的界限。航空器飛行的大氣環(huán)境是對(duì)流層和平流層。連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

氣體與固體不同，氣體沒(méi)有確定的幾何形狀。把氣體盛入某容器內(nèi)，它的形狀就取決于該容器的幾何形狀。氣體總是能夠充滿容納它的整個(gè)容器。因此，可以把氣體看成連綿一片的、沒(méi)有間隙的、充滿了它所占據(jù)的空間的連續(xù)介質(zhì)。這就是連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)在空氣動(dòng)力學(xué)中很有用。根據(jù)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，可以把氣體介質(zhì)的一切物理屬性，如密度、速度、壓強(qiáng)等都看作是空間的連續(xù)函數(shù)?？諝饷芏取囟群蛪毫?．空氣密度：空氣密度是指單位體積內(nèi)的空氣質(zhì)量。2．空氣溫度：空氣溫度是指空氣的冷熱程度，主要有3種標(biāo)定方法：攝氏溫度、華氏溫度和絕對(duì)溫度。大多數(shù)國(guó)家用攝氏溫度來(lái)表示，單位是攝氏度℃；少數(shù)國(guó)家和地區(qū)（如美國(guó)）使用華氏溫度，理論計(jì)算中常用熱力學(xué)溫度來(lái)表示。在大約11公里高度以下的大氣層內(nèi)，隨著高庋增加，大氣溫度下降，近似按線性變化。3．空氣壓力：空氣壓力是指空氣的壓強(qiáng)，即物體單位面積上所承受的空氣的垂直作用力。隨著高度的增加，氣壓不斷降低。大氣壓力隨著高度的增加，基本呈線性下降，無(wú)人機(jī)如果飛行高度太高，空氣密度和空氣壓力很小，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率就會(huì)很低，因此無(wú)人機(jī)的飛行高度是有限制的，即所謂“升限”?？諝鈮嚎s性、黏性和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣1．空氣的壓縮性：空氣的壓縮性是指一定量的空氣，當(dāng)其所受到的壓力或溫度改變時(shí)，其密度或體積也要發(fā)生相應(yīng)變化的物理性質(zhì)。液體是不可壓縮的，而氣體是可壓縮的物質(zhì)。對(duì)應(yīng)于無(wú)人機(jī)低速飛行時(shí)，空氣的壓力變化一般不大，空氣密度的變化很小，可把氣流當(dāng)成是不可壓縮的氣流，。但是，對(duì)應(yīng)于無(wú)人機(jī)高速飛行時(shí)，由于速度變化所引起的壓力變化較大，就必須考慮空氣的壓縮性。2．空氣的黏性：空氣的黏性力是相鄰空氣分子之間相互運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的牽扯作用力，也叫作空氣的內(nèi)摩擦力。空氣黏性大小取決于：（l）速度梯度。（2）空氣溫度。（3）氣體性質(zhì)。（4）接觸面積。3．國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣ISA是人為規(guī)定大氣溫度、密度、壓力等隨高度變化的關(guān)系，得出統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，作為計(jì)算和試驗(yàn)飛行器的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)空氣流動(dòng)的基本規(guī)律1．空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理只要空氣和物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，空氣就會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生空氣動(dòng)力?？諝庀鄬?duì)于物體的流動(dòng)稱為相對(duì)氣流，相對(duì)氣流的方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相反。2．運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換原理

當(dāng)無(wú)人機(jī)在原來(lái)靜止的空氣中作等速直線飛行時(shí)，將引起物體周圍空氣的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)空氣將給無(wú)人機(jī)以作用力。無(wú)人飛機(jī)的相對(duì)氣流就是空氣相對(duì)于無(wú)人飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，相對(duì)氣流方向就是無(wú)人飛機(jī)飛行速度的反方向。影響空氣動(dòng)力重要因素是無(wú)人飛機(jī)與空氣之問(wèn)的相對(duì)速度，只要相對(duì)氣流速度相同，無(wú)人飛機(jī)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力就相同。流場(chǎng)的基本概念（1）流場(chǎng)的定義：流體流動(dòng)所占據(jù)的空間稱為流場(chǎng)。大氣層是大流場(chǎng)（2）定常與非定常流動(dòng)：流場(chǎng)中任一固定點(diǎn)的所有流動(dòng)參數(shù)都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)稱為定常流動(dòng)。流動(dòng)參數(shù)（如速度、壓強(qiáng)、密度等）隨時(shí)間而變化的流動(dòng)稱為非定常流動(dòng)。如果無(wú)人飛機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間變化十分緩慢，則至少在一段時(shí)間內(nèi)可近似認(rèn)為運(yùn)動(dòng)參數(shù)不變，這就是通常所說(shuō)的“準(zhǔn)定常運(yùn)動(dòng)”。（3）跡線：跡線是流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。（4）流線：在某一瞬時(shí)繪制出許多稱為流線的空間曲線，在每一條曲線的各個(gè)點(diǎn)上，它的切線方向就是該點(diǎn)處空氣微團(tuán)的流動(dòng)速度方向。流線不能相交，也不能折轉(zhuǎn)，只能是一條光滑曲線。（5）流線譜：由許多流線所組成的流動(dòng)圖形稱之為流線譜，它真實(shí)地反映了空氣流動(dòng)的全貌。一般分析無(wú)人飛機(jī)空氣動(dòng)力的產(chǎn)生和變化，就是從分析空氣流過(guò)無(wú)人飛機(jī)的流線譜著手的。（6）流管和流束：在流場(chǎng)中任畫一封閉曲線，在該曲線上每一點(diǎn)做流線，由這許多流線所圍成的管狀曲面稱為流管。在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)流管好像真實(shí)管子一樣。充滿在流管內(nèi)的流體，稱為流束。空氣流動(dòng)的連續(xù)性定律質(zhì)量守恒定律說(shuō)明物質(zhì)既不會(huì)消失，也不會(huì)憑空增加。空氣在流動(dòng)時(shí)，需要遵守質(zhì)量守恒定律，這條定律在空氣動(dòng)力學(xué)中稱為連續(xù)性定理。當(dāng)流體低速、連續(xù)不斷地、穩(wěn)定地流過(guò)一個(gè)粗細(xì)不等的流管時(shí)，由于流管中任一部分的流體都不能中斷或堆積起來(lái)，因此在同一時(shí)間，流過(guò)流管任意截面的流體質(zhì)量應(yīng)該相等，這就是流體的連續(xù)性定理。伯努利定理能量守恒定律則說(shuō)明能量不會(huì)消失，也不會(huì)無(wú)中生有，只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，能量的總和保持不變。伯努利定理是能量守恒定律在流體流動(dòng)中的應(yīng)用，其數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為伯努利方程。

式中P0為總壓（全壓