1、01 空气动力学基础02 飞行原理P04 P24 03 飞行性能P49 04 无人机发射回收方式P88 05 多旋翼基础知识P98 01 空气动力学基础02 飞行原理P04 P24 03 飞行性能P49 04 无人机发射回收方式P88 05 多旋翼基础知识P98 空气动力是无人机原理的基础，主要研究气体在无人机表面的流动及产生升力的原理。大气是无人机运行的空间环境，研究大气特性对了解无人机至关重要。1.1 大气特性 大气环境大气环境飞飞行行环环境境空间环境空间环境是航空器唯一飞行环境，飞行原理：借助空气产生的升力来平衡地球引力，借助发动机推力平衡空气阻力。是航天器的主要飞行环境，飞行原理：借助
2、关系离心力平衡地球引力，前行阻力极小，借助惯性向前运动。研究大气特性对了解无人机至关重要研究大气中的气象现象时，可将大气看作一种混合物，它由三个部分组成：干洁空气、水汽和大气杂质。干洁空气主要由78%的氮气，21%的氧气以及1%的其它气体组成。1.1.1 大气成分 1.1.2 大气垂直分层 800km85km55km11km散逸层电离层中间层平流层（空气没有上下对流）对流层地球中纬度地球中纬度地地区区密密度、度、压压强强随随高高度度增增加加而而减减少少航空器活动集中在对流层和平流层 对流层因空气有强烈的对流运动而得名，它的底界为地面，上界高度随纬度、季节、天气等因素而变化。一般中纬度地区上界高
3、度10-12km，同一地区上界高度夏季大于冬季。对流层的主要特征：气温随高度升高而降低。平均气温垂直递减率为0.65/100m。气温、湿度的水平分布很不均匀。主要受地表性质影响。空气具有强烈的垂直混合。底层暖空气有上升趋势，上层冷空气有下降趋势。一般的无人机只能够在对流层飞行，民航客机和战斗机可以在平流层飞行。1.1.2 大气垂直分层 1.1.3 国际标准大气 目的：为了准确描述飞行器的飞行性能，就必须建立一个统一的标准，即标准大气。1.1.3 国际标准大气 国际标准大气的规定：l 大气被看成完全气体，服从气体状态方程；l 以海平面的高度为零。且在海平面上，大气标准状态为：1.1.4 大气状态
4、方程 状态方程：其中：1.1.5 大气特性连续性 当航空器在空气介质中运动时，由于其外形尺寸远远大于气体分子的自由行程，故在研究航空器和大气之间的相对运动时，气体分子之间的距离完全可以忽略不计，即把气体看成是连续的介质。1.1.5 大气特性可压缩性 当气体的压强改变时，其密度和体积改变的性质。当气体流速很小时，压强和密度变化很小，可以不考虑大气压缩性的影响。但当流速较高时，气体压强和密度变化很明显，必须考虑气体压缩性。马赫数：作为判断空气受到压缩程度的指标。飞行器飞行速度越大，马赫数就越大，飞行器前面的空气就压缩的越厉害。1.1.5 大气特性粘性 大气的粘性是空气在流动过程中表现出的一种物理性
5、质。大气的粘性力是相邻大气层之间相互运动时产生的牵扯作用力，也叫大气内摩擦力。它和相邻流动层的速度差和接触面积成正比，与相邻层的距离成反比，不考虑粘性的流体称为理想流体或无粘流体。1.2 牛顿运动定律 牛顿第一定律（惯性定律）如果一个物体处于平衡状态，那么它就有保持这种平衡状态的趋势。所有施加在平衡物体上的外力都是平衡的，不会有任何改变其状态或往任何方向加速或减速的趋势存在。静态平衡：静止动态平衡：匀速直线水平飞行的飞机，没有加速，没有减速，也没有转弯1.2 牛顿运动定律 牛顿第一定律（惯性定律）动态平衡：以恒定的速度爬升、俯冲或滑行的飞机。平衡是事物一种非常普遍的状态，不稳定运动状态与稳定运
6、动或者静止状态的情况不同之处就是多了加速度。保持匀速平飞、上升或下降时，飞机所受力是平衡的，即升力与重力相等、推力与阻力相等。1.2 牛顿运动定律 牛顿第二定律 物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。牛顿第二定律表明，要获得给定加速度所施加的力的大小取决于无人飞机的质量。一个具有很大质量的物体需要用更大的力去打破它的平衡才能达到给定的加速度，而小质量的物体所需的力则小。惯性向外惯性向外（离心力）（离心力）加速度向内加速度向内（向心力（向心力）1.2 牛顿运动定律 牛顿第二定律 力的分解：将一个力化作等效的两个或两个以上的分力。一个飞行器受到许
7、多施加在它每个部分的力的影响，但是所有的这些力都可以按方向分成4个力。1.3 伯努利定理 空气相对运动原理 空气不动，飞机飞行时，作用在飞机上的空气动力和飞机不动，空气吹过时作用在飞机上的空气动力是等效的。1.3 伯努利定理 流体流动的连续性定理（质量守恒）连续流动时，单位时间流过不同剖面时流体质量相同，顾剖面与速度成反比。1.3 伯努利定理 伯努利方程（能量守恒）伯努利方程实质是能量转化和守恒定律，即静压代表的势能和动压代表的动能之间可以相互转化，但它们总量保持不变。1.3 伯努利定理 伯努利定理 对于低速流体，流速越大，压强越小，流速越小，压强越大。1.3 伯努利定理 01 空气动力学基础
8、02 飞行原理P04 P24 03 飞行性能P49 04 无人机发射回收方式P88 05 多旋翼基础知识P98 2.1 升力 机翼是产生升力的主要部件，由于固定翼的机翼是固定不动的，机翼和气流的相对运动方向呈直线型，所以飞行原理的研究模型选用的是固定翼。2.1.1 升力的产生 固定翼飞机的机翼上表面凸起较多而下表面比较平直。再加上一定的迎角。这样，从前缘到后缘，上翼面的气流流速就比下翼面的流速快，上翼面的静压也就比下翼面的静压低，上下翼面的压力差产生向上的升力。2.1.1 升力的产生 升力公式其中：影响飞机升力的因素：机翼面积、相对速度、空气密度、机翼剖面形状和迎角。2.1.1 升力的产生 机
9、翼的效率受翼型的影响极大，在一定程度上是受翼型弯度的影响和厚度的影响。2.1.1 升力的产生 厚度弯度翼弦2.1.1 升力的产生 翼展 翼弦比 后掠角展长与翼尖弦长之比展长与翼尖弦长之比。机翼机翼1/4弦线与垂直机身中心线的直线之间的弦线与垂直机身中心线的直线之间的夹角夹角。展弦比 展长展长与与平均几何平均几何弦弦长之比长之比。2.1.1 升力的产生 驻点 机翼上空气与前缘相遇的地方称为驻点，这点处空气相对于机翼的速度减小到零的点。对称机翼相对来流仰头旋转一个迎角，驻点稍稍向前缘的下表面移动。2.1.1 升力的产生 当飞机的迎角小于临界迎角时，升力系数随迎角的增大而增大，当迎角超过临界迎角后，
10、迎角增大，升力系数却急剧下降，这种现象称为失速。2.1.2 失速 失速指的是飞机以大于临界迎角飞行，升力急剧下降。飞机刚进入失速的速度，称为失速速度。失速速度越大，越容易失速。原因：迎角过大超过临界迎角，造成机翼上表面附面层大部分分离。出现失速飞行员该立即推杆到底，减小迎角。2.2 阻力 飞机在飞行过程中，除了受到升力的作用，还受到阻力的作用，值得注意的是，升力的方向是垂直于机翼平面向上的，而阻力是和物体运动方向相反的，所以升力和阻力不是一对相互作用力。2.2.1 阻力公式其中：影响飞机阻力的因素：机翼、机身表面积、相对速度、空气密度、机翼表面光洁度等。2.2.2 阻力分类阻力零升阻力摩擦阻力
11、压差阻力（形状阻力）干扰阻力升致阻力诱导阻力（涡阻力）按阻力产生原因，飞机低速飞行时的阻力一般分为：2.2.2 阻力分类摩擦阻力 当气流流过飞机表面时，由于空气粘性，空气微团与飞机表面发生摩擦，阻滞了气流的流动，由此而产生的阻力叫做摩擦阻力。附面层就是紧贴物体表面，流速由外部流体的自由流速逐渐降低到零的那一层薄薄的空气层，分为：层流附面层紊流附面层2.2.2 阻力分类摩擦阻力 层流附面层：气流各层不相混杂而成层流动，其摩擦阻力较小。紊流附面层：气流活动杂乱无章，并出席漩涡和横向运动，但整个附面层仍附着于翼面，其摩擦阻力较大。转捩点：层流附面层转变为紊流附面层的点。分离点：附面层开始脱离翼面的点
12、。气流沿机翼表面附面层类型的变化是可由层流变为紊流。转捩点的位置是将随飞行速度的增高而前移。2.2.2 阻力分类摩擦阻力 层流附面层：气流各层不相混杂而成层流动，其摩擦阻力较小。紊流附面层：气流活动杂乱无章，并出席漩涡和横向运动，但整个附面层仍附着于翼面，其摩擦阻力较大。转捩点：层流附面层转变为紊流附面层的点。分离点：附面层开始脱离翼面的点。气流沿机翼表面附面层类型的变化是可由层流变为紊流。转捩点的位置是将随飞行速度的增高而前移。2.2.2 阻力分类压差阻力运动物体前后的压力差所产生的阻力。高压区低压区前缘压力大后缘压力小2.2.2 阻力分类压差阻力影响压差阻力的因素：物体的迎风面积；物体的形
13、状；减小压差阻力的措施：尽量减小迎风面积；加整流罩2.2.2 阻力分类干扰阻力 飞机各部分之间由于气流相互干扰而产生的一种额外阻力。A点：压强大C点：压强小B点：压强大从B点到C点存在逆流，飞机前进不断有气流沿通道向后流，遇到了后面的这股逆流就形成了气流的阻塞现象，使得气流开始分离，而产生了很多旋涡。产生额外的阻力。2.2.2 阻力分类干扰阻力减小干扰阻力的措施：减小干扰阻力，必须妥善考虑和安排各个部件的相对位置，在这些部件的连接处假装整流片或整流包皮，使得连接处圆滑过渡。2.2.2 阻力分类诱导阻力 诱导阻力是翼面所独有的一种阻力，它是伴随着升力的产生而产生的，是为了产生升力而付出的一种“代
14、价”。当机翼产生升力时，机翼下表面的压力比上表面的大,而机翼翼展长度又是有限的，所以下翼面的高压气流会绕过两端翼尖,向上翼面的低压区流去。当气流绕过翼尖时,在翼尖部分形成旋涡,这种旋涡的不断产生而又不断地向后流去即形成了所谓翼尖涡流。翼尖涡流使流过机翼的空气产生下洗速度,而向下倾斜形成下洗流。2.2.2 阻力分类诱导阻力2.2.2 阻力分类诱导阻力减小干扰阻力的措施：增大展弦比 安装翼梢小翼2.2.2 阻力分类诱导阻力 由于诱导阻力的作用，当飞机飞行贴近地面时，会产生地面效应。地面效应是使飞行器诱导阻力减小，同时能获得比空中更高升阻比的流体力学效应。诱导阻力减小原因：地面或水面阻止了翼尖涡流的
15、下洗。升力增大原因：机翼下方空气与地面存在摩擦作用，速度减小，导致静压更高，升力增大。2.2.3 升阻比 升阻比是指飞行器在飞行过程中，在同一迎角的升力与阻力（也即升力系数与阻力系数）的比值。升阻比与飞行器迎角、飞行速度等参数有关，升阻比愈大说明飞行器的空气动力性能愈好。升阻比达到最大之前，随迎角增加升阻比成线性增加01 空气动力学基础02 飞行原理P04 P24 03 飞行性能P49 04 无人机发射回收方式P88 05 多旋翼基础知识P98 3.1 稳定性 无人机的飞行性能主要是指稳定性、操纵性以及其他性能。飞机的稳定性（安定性），是指在飞机受到扰动后，不经飞行员操纵，能恢复到受扰动前的原
16、始状态，原来平衡状态的特性。如果能恢复，则称飞机是稳定的，反之则称飞机是不稳定的。3.1 稳定性 飞机的稳定性包括：纵向稳定、横向稳定、侧向（航向）稳定。3.1.1 机体坐标系 原点(0点)：位于飞行器的重心；纵轴(0X轴)：位于飞行器参考平面内平行于机身轴线并 指向飞行器前方；横轴(0Z轴)：垂直于飞行器参考面并指向飞行器右方；立轴(0Y轴)：在参考面内垂直于XOY平面，指向飞行器下方。不论是固定翼、直升机、还是多旋翼无人机，研究其稳定性的时候首先要建立机体坐标系。3.1.2 姿态角 在飞机飞行时，我们可以通过判断飞行姿态角来分析飞机都发生了哪些运动，进而作出与之相对应的操作。描述飞机在空中
17、姿态的姿态角有：滚转角（pitch）偏航角（yaw）俯仰角（roll）机体坐标系纵轴与水平面的夹角。抬头时，俯仰角为正，否则为负。机体坐标系立轴与通过机体纵轴的铅垂面间的夹角，机体向右滚为正，反之为负。机体坐标系纵轴与垂直面的夹角，机头右偏航为正，反之为负。3.1.3 纵向稳定性 飞机纵向稳定性是指飞机受到上下对流干扰后产生绕横轴转动，扰动消失后自动恢复原飞行姿态。飞机靠水平尾翼和机翼来保证纵向稳定性。其中，飞机纵向阻尼力矩主要由水平尾翼产生的。3.1.3 纵向稳定性 飞机纵向稳定性主要取决于飞机重心的位置，飞机重心位于焦点前面，则飞机纵向稳定。重心的位置：用重心到平均气动力弦前缘的距离和平均
18、气动力弦长之比的百分数来表示。焦点：当飞机迎角变化时，在机翼和尾翼上都会产生一定的附加升力，这个附加升力合力作用点称为飞机的焦点。3.1.3 纵向稳定性 静稳定裕度：重心与焦点之间的距离被定义为飞机的静稳定裕度。如果重心靠后，静稳定裕度减小，飞机的纵向稳定性减弱。静稳定裕度 配平：重心沿纵轴的前后位置，重心的移动将改变静稳定裕度，甚至使飞机不稳定。可以通过增加或减少头部或尾部配置调整飞机的稳定性。3.1.4 航向稳定性 飞机纵向稳定性是指飞机受到侧风干扰后产生绕立轴转动，扰动消失后自动恢复原飞行姿态。飞机主要靠垂直尾翼产生航向稳定力矩来保证航向稳定性。影响飞机方向稳定力矩的因素主要是飞机迎角，
19、机身、垂尾面积和重心位置。3.1.4 航向稳定性 空气从飞机侧方吹来，飞机产生侧滑，相对气流从左前方吹来叫左侧滑，机头右偏，对于具有航向稳定性的飞机，向左侧滑时垂直尾翼产生的阻尼力矩将使机头将向左转。3.1.5 横向稳定性 飞机横向稳定性是指飞机受到干扰后产生绕纵轴转动，扰动消失后自动恢复原飞行姿态。飞机主要靠机翼产生横向稳定力矩来保证横向稳定性。影响飞机横向稳定力矩的因素主要是机翼上反角、机翼后掠角和垂直尾翼。3.1.5 横向稳定性 上反角：机翼的底面同垂直于飞机立轴的平面之间的夹角。上反角起到横向稳定的作用。当一阵风吹到右侧机翼上，飞机右翼抬起，左翼下沉，向左倾斜，由于存在上反角，左翼有效
20、迎角增大，升力增大，形成向右滚转力矩，力图减小倾斜。3.1.5 横向稳定性 后掠角作用：后掠角越大，横向稳定作用也越大。当飞机受扰动向右倾斜，由于后掠角的存在，使两侧机翼上的有效速度大小不等，右侧机翼产生升力大于左侧机翼产生升力，形成滚转力矩，力图减小倾斜。垂直尾翼横向稳定作用：出现侧滑后，垂直尾翼上产生的附加侧向力作用点位于飞机重心上方，因而相对于重心也形成恢复力矩。3.1.6 航向与横向稳定性的耦合 飞机的纵向与航向、横向稳定性之间互相独立；航向与横向稳定性是紧密联系和相互影响的，因此通常合称为“横侧稳定”。故飞机的横向和航向稳定性之间必须匹配适当。如果匹配不当，飞机将可能出现“螺旋不稳定
21、”或“荷兰滚不稳定”现象。3.1.6 航向与横向稳定性的耦合 螺旋（尾旋）：飞机失速后机翼自转，飞机以小半径的圆周盘旋下降运动。原因：飞机横向稳定性过弱，航向稳定性过强，产生螺旋不稳定。改出：立即向螺旋反方向打舵到底制止滚转。3.1.6 航向与横向稳定性的耦合 荷兰滚（飘摆）：非指令的时而左滚，时而右滚，同时伴随机头时而左偏，时而右偏的现象。原因：飞机的横向稳定性过强，而航向稳定性相对过弱，飞机容易出现荷兰滚不稳定。3.2 操纵性 飞机的操纵是指驾驶员通过飞机的操纵机构来改变飞机的飞行状态。飞机的操纵性则指飞机对操纵的反应特性，又称飞机的操纵品质。飞机操纵主要通过驾驶杆和脚蹬等操纵机构偏转飞机
22、的三个主操纵面-升降舵、方向舵和副翼。飞机的操纵包括俯仰操纵、方向操纵和滚转操纵。3.2.1 俯仰操纵使飞机绕横轴做俯仰（纵向）运动的操纵叫俯仰操纵，也称纵向操纵。通过推、拉驾驶杆，使飞机升降舵向下或向上偏转，产生俯仰力矩，从而使飞机低头或抬头做俯仰运动。焦点与重心的关系焦点与重心的关系影响纵向操纵性，影响纵向操纵性，若若焦点焦点在重心之后，在重心之后，向后移焦点，飞机向后移焦点，飞机的操纵性的操纵性减弱减弱。3.2.2 方向操纵 使飞机绕立轴做偏航运动的操纵叫方向操纵，也称航向操纵。通过蹬左或右脚蹬，使飞机方向舵向左或向右偏转，产生偏航力矩，从而使飞机向左或向右做偏航运动。3.2.3 滚转操
23、纵 使飞机绕纵轴做滚转（倾侧）运动的操纵叫滚转操纵。通过蹬左压或右压操纵杆，使飞机方向舵左、右一次向下另一侧向上偏转，产生滚转力矩，从而使飞机向左或向右做滚转运动。3.2.4 辅助操纵机构 固定翼常规无人机飞行辅助操纵面有缝翼，襟翼，调整（扰流）片。3.2.4 辅助操纵机构襟翼 一般的襟翼位于机翼后缘，靠近机身，在副翼侧，放下襟翼升力增大，失速速度减小，阻力增大，飞行速度减小。利用增大襟翼弯度来提高机翼升力系数，机翼表面最低压力点前移，减小临界迎角。起飞阶段，襟翼只放下较小的角度，增加升力；下降阶段，放下最大角度，实现较小的下降速度，较大的下降角。起飞时下降时巡航时3.2.4 辅助操纵机构前缘
24、缝翼 安装在机翼前缘的一段或极端狭长小翼面，当前缘缝翼打开时，它与基本机翼前缘表面形成一道缝隙，下翼面的高压气流通过缝翼加速流向上翼面，增大上翼面附面层气流速度，消除了分离漩涡，延缓气流分离，避免大迎角下失速，升力系数得到提高，增大飞机临界迎角。所以前缘缝翼一般在大迎角，特别是接近或超过基本机翼临界迎角时才使用。3.2.4 辅助操纵机构扰流片 飞机扰流板作用主要是增加在地面或飞行中的气动阻力，减速；还可以辅助飞机转弯，当飞机飞机左左盘旋盘旋时时，操纵，操纵左左机翼飞行扰流板向上打开，右机翼飞行扰流板不机翼飞行扰流板向上打开，右机翼飞行扰流板不动动，右，右翼升力大于左翼，实现飞机左转。翼升力大于
25、左翼，实现飞机左转。3.3 飞行性能 无人机飞行性能是描述飞机质心运动规律的性能，包括飞机的飞行速度、飞行高度、航程、航时、起飞和着陆性能等。与有人机不同的是，无人机几乎涉及不到筋斗、盘旋、战斗转弯等机动性能，所以不加以讨论。3.3 飞行性能高度理论静升限：飞机能作水平直线飞行的最大高度。实用静升限：飞机最大爬升率等于0.5m/s（亚声速飞机）或5m/s（超声速飞机）所对应的飞行高度。理论升限大于实用升限！3.3 飞行性能高度爬升率：单位时间内飞机所上升的垂直高度。爬升角：飞机上升轨迹与水平线之间的夹角。爬升率、爬升角反映了飞机改变高度的能力，它们的大小主要取决于飞机的剩余推力和飞机的重量。3
26、.3 飞行性能速度 最大飞行速度：飞机在一定高度上做水平直线飞行时，在一定飞行距离内（3km），发动机以最大推力工作所能达到的最大飞行速度。最小飞行速度：飞机在一定高度，能产生足够升力平衡重力，维持水平直线飞行的最小速度。又称平飞所需速度。平飞有利速度：能够获得平飞航时最长的速度。平飞远航速度：能够获得平飞航程最长的速度。巡航飞行速度：发动机每公里消耗燃油量最小情况下的飞行速度。3.3 飞行性能航程 最大航程：在起飞后不再加油的情况下，飞机以巡航速度所能达到的最远距离。飞机航程的长短主要取决于燃油量。3.4 起飞与着陆性能 固定翼无人机的起降阶段是需要专门进行训练的，固定翼的起降航线也叫五边航
27、线。起降航线是固定翼驾驶员最基本的飞行训练科目。一(离场边)二(侧风边)三(下风边)四(基线边)五(进近边)3.4.1 起飞性能 飞机的起飞过程包括起飞滑跑和爬升两个主要阶段，飞机离地速度越小，滑跑距离越短，飞机的起飞性能越好。减小起飞距离的办法：增升装置（襟翼）、增加推力等。3.4.2 着陆性能 飞机着陆的过程包括下滑，拉平，平飘，接地，着陆滑跑五个阶段。着陆距离由着陆下滑距离和着陆滑跑距离组成。下滑距离与下滑角（飞行轨迹与水平面的夹角）、下滑高度有关。3.5 机动性能过载 过载具有方向性，与物体运动方向一致或相反的力叫做切向力，与物体运动方向一致或相反的力与物体质量的比值叫切向过载。与物体
28、运动方向垂直的力叫法向力，与物体运动方向垂直的力与物体质量的比值叫法向过载。所以，飞机的推力是切向力，阻力也是切向力。重力有时是切向力，有时是法向力，当飞机垂直上升或下降时它是切向力，当飞机平飞时，它是法向力。飞机的升力总是法向力。3.5 机动性能盘旋盘旋：保持飞行高度不变，飞机做圆周飞行。转弯半径：重要的机动指标，空速越大转弯半径越大。3.5 机动性能盘旋 操纵副翼使外侧机翼副翼向下，内侧机翼副翼向上，外侧升力大于内侧升力飞机滚转（坡度），实现转弯。飞机转弯的向心力是飞机升力的水平分力，飞机坡度增大，升力的垂直分量减小升力的水平分量增大，为保持高度需要增大迎角和油门，原因是保持升力垂直分量不变。3.5 机动性能俯冲、筋斗、跃升 在俯冲拉起、筋斗和跃升过程中，升力作为飞机的向心力，改变飞机飞行速度的方向。
