空氣動力學(xué)與飛行原理課件：無人機(jī)的基本知識

空氣動力學(xué)與飛行原理

無人機(jī)的基本知識無人機(jī)的飛行原理與飛機(jī)的飛行原理一致，尤其是固定翼無人機(jī)。無人機(jī)飛行平臺結(jié)構(gòu)多種多樣，但是，各式無人機(jī)的基本組成是相同的，下面的內(nèi)容按照固定翼、直升機(jī)、多旋翼、飛艇的順序介紹結(jié)構(gòu)和組成。無人機(jī)的基本知識第一節(jié)一、二、三、四、固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成無人直升機(jī)平臺多旋翼無人機(jī)平臺無人飛艇學(xué)習(xí)大綱目錄頁第一節(jié)一、二、三、四、固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成無人直升機(jī)平臺多旋翼無人機(jī)平臺無人飛艇目錄頁壹固定翼無人機(jī)氣動布局主要有正常式布局、三翼面布局、鴨式布局和無尾布局。由于正常式布局較為成熟、操穩(wěn)特性好、結(jié)構(gòu)可靠性高，市場上常見的無人機(jī)多為正常式布局。正常式布局飛機(jī)由機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、起落架等組件組成。尾翼位于機(jī)翼后面。固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成壹上圖展示了一種正常布局的無人機(jī)——航測無人機(jī)的實(shí)物圖。在不包含電子設(shè)備的情況下，固定翼無人機(jī)平臺由機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、起降系統(tǒng)、動力系統(tǒng)這六部分組成。固定翼無人機(jī)的通用結(jié)構(gòu)如圖所示固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成壹固定翼無人機(jī)依靠機(jī)翼與空氣的相對運(yùn)動產(chǎn)生足夠的升力維持空中飛行。機(jī)翼主要由主翼面、可動的副翼和襟翼（微型和輕型無人機(jī)沒有）組成。副翼主要用于滾轉(zhuǎn)操縱控制，襟翼主要用于起降階段的增升。無人機(jī)結(jié)構(gòu)有多梁式、多墻式、單塊式等結(jié)構(gòu)。典型單梁式無人機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)如圖所示。機(jī)翼由翼梁、桁條、普通翼肋、前墻、后墻、蒙皮、接口、加強(qiáng)肋等組成（微型和輕型無人機(jī)可以沒有前墻）。固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成壹機(jī)身產(chǎn)生升力很小，主要用于裝載設(shè)備、燃料、有效載荷等裝置，將機(jī)翼、尾翼、起落架、動力裝置連接成一個整體。固定機(jī)翼無人機(jī)的機(jī)身有桁梁式、桁條式、硬殼式三種類型。圖片展示了典型固定翼無人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)。固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成壹尾翼用來配平、穩(wěn)定和操縱固定翼無人機(jī)，包括垂直尾翼和水平尾翼兩部分。方向舵控制固定翼無人機(jī)的偏航運(yùn)動，它安裝在垂直尾翼的垂直安定面之后。升降舵用于控制固定翼無人機(jī)的俯仰運(yùn)動，它安裝在水平尾翼的水平安定面后部。圖片展示了固定翼無人機(jī)尾翼的組成示意圖。尾翼有多種布局形式，如T形尾翼、V尾、H形尾翼等。此外，還有一些無尾布局的無人機(jī)。

固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成壹固定翼無人機(jī)起降系統(tǒng)有多種，如彈射起飛、小車起飛、空中投放、火箭發(fā)射、滑撬起降、輪式起降、手拋起飛等方式。其中前面四種起飛方式受起飛場地限制較小，但均需傘降回收。手拋起飛主要用于15公斤以下的微型無人機(jī)，在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火或電動機(jī)啟動至推力最大后，由釋放員手動拋射起飛固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成壹這種起飛方式簡單方便，可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，適合單兵作戰(zhàn)需求，拋射起飛對無人機(jī)起降系統(tǒng)要求低，但是只適用于質(zhì)量較輕的無人機(jī)，如果釋放失敗后可能會對無人機(jī)造成毀滅性的損壞，并對拋射者產(chǎn)生一定危險?；鸺剖狡痫w方式中，無人機(jī)安裝在發(fā)射架上，尾部火箭點(diǎn)火產(chǎn)生起飛速度所需推力。主要用于小型和輕型無人機(jī)，現(xiàn)在仍然服役的“紅”Ⅱ型靶機(jī)就是采用的這種方式。這種發(fā)射方式推力大，受外界環(huán)境干擾小，無需跑道，成功率很高，但是由于采用火箭助推，所以成本較高，發(fā)射前準(zhǔn)備時間也較長。在消費(fèi)級和工業(yè)級無人機(jī)中較少使用。彈射起飛方式中，無人機(jī)安裝在彈射支架上，由彈射裝置產(chǎn)生推力使無人機(jī)加速到起飛離地速度實(shí)現(xiàn)起飛。彈射起飛方式如圖所示。固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成壹上圖展示了固定翼無人機(jī)起落架的結(jié)構(gòu)示意圖彈射起飛方式集合了滑跑起飛和火箭助推的優(yōu)點(diǎn)，對跑道要求低，受外界環(huán)境干擾小，成功率高，成為當(dāng)今輕型無人機(jī)的主要發(fā)射方式。輪式起降的起落架主要用來支撐固定翼無人機(jī)的停放，并用于滑行、起飛和著陸滑跑，由支柱、緩沖器、剎車裝置、機(jī)輪、收放機(jī)構(gòu)組成。這種起飛方式在小型和大型無人機(jī)中應(yīng)用較多。一般微型和輕型無人機(jī)沒有收放機(jī)構(gòu)，緩沖器也較為簡單。固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成壹一、二、三、四、固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成無人直升機(jī)平臺多旋翼無人機(jī)平臺無人飛艇目錄貳無人直升機(jī)是一種重于空氣的航空器，與固定翼無人機(jī)由機(jī)翼產(chǎn)生升力不同，無人直升機(jī)主要由于旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生相對于空氣的運(yùn)動，進(jìn)而獲得升力。除了提供升力，無人直升機(jī)的旋翼還為其提供推進(jìn)力，使其具有大多數(shù)固定翼無人機(jī)平臺所不具備的垂直升降、懸停、小速度向前或向后飛行的特點(diǎn)。與固定翼無人機(jī)相比，無人直升機(jī)的飛行速度低、耗油量較高、航程較短。無人直升機(jī)還有一大特點(diǎn)，即旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反扭效應(yīng)。無人直升機(jī)的旋翼為其提供升力和推進(jìn)力的同時，無人直升機(jī)的機(jī)身也會受到反扭矩的作用而產(chǎn)生向反方向旋轉(zhuǎn)的趨勢。為了克服旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反作用扭矩，一般采用在機(jī)身尾部安裝尾槳或采用雙旋翼設(shè)計。按照克服旋翼反作用扭矩的不同，可以將無人直升機(jī)分為單旋翼尾槳無人直升機(jī)、共軸雙旋翼無人直升機(jī)、橫列式雙旋翼無人直升機(jī)和縱列式雙旋翼無人直升機(jī)。其中前兩種在無人直升機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。無人直升機(jī)平臺貳單旋翼尾槳的傳統(tǒng)無人直升機(jī)由發(fā)動機(jī)、機(jī)身、旋翼、傳動系統(tǒng)和尾槳組成。旋翼的自動傾斜器可以實(shí)現(xiàn)總距和周期變距操縱，尾槳一般具有總距操縱的功能。旋翼和尾槳安裝有分離減速器以調(diào)節(jié)旋翼和尾槳的轉(zhuǎn)速。圖片展示了單旋翼直升機(jī)型無人機(jī)實(shí)物圖。無人直升機(jī)的操縱要求較高，尤其在逆風(fēng)飛行和有側(cè)風(fēng)的情況下操控師更應(yīng)謹(jǐn)慎操作。共軸雙旋翼無人直升機(jī)具有兩個變槳距旋翼，彼此同軸反向旋轉(zhuǎn)，抵消扭矩。其優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)身，結(jié)構(gòu)更加緊湊，載荷更大，常用作大載荷無人機(jī)。無人直升機(jī)平臺貳第一章第二章第三章第四章固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成無人直升機(jī)平臺多旋翼無人機(jī)平臺無人飛艇目錄叁多旋翼無人機(jī)平臺由機(jī)身主體、動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，機(jī)架、支臂、起落架、任務(wù)載荷設(shè)備構(gòu)成了機(jī)身主體，電機(jī)、螺旋槳、電調(diào)、電池構(gòu)成了動力系統(tǒng)，也是其旋翼系統(tǒng)。飛控導(dǎo)航設(shè)備、機(jī)上數(shù)據(jù)鏈路構(gòu)成了控制系統(tǒng)。多旋翼無人機(jī)的旋翼個數(shù)大多數(shù)為偶數(shù)（少數(shù)三旋翼無人機(jī)），并對稱分布在機(jī)體的前后、左右四個方向，多個旋翼處于同一高度平面或上下兩個平面。且各旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，相鄰的旋翼安裝正反螺旋槳，用以抵消陀螺效應(yīng)和旋轉(zhuǎn)扭矩。常見的多旋翼無人機(jī)平臺有四旋翼無人機(jī)、六旋翼無人機(jī)和八旋翼無人機(jī)。多旋翼無人機(jī)出現(xiàn)在21世紀(jì)初，它依靠若干旋翼為無人機(jī)的飛行提供升力和推進(jìn)力。多旋翼無人機(jī)的旋翼大小相同，分布位置對稱，通過調(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速來調(diào)整實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的懸停、前進(jìn)等飛行動作。由于多旋翼無人機(jī)需要對旋翼的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行精準(zhǔn)的同步調(diào)制，因此往往選用電動機(jī)作為旋翼驅(qū)動裝置。多旋翼無人機(jī)飛行穩(wěn)定，操縱靈活，結(jié)構(gòu)簡單，體積小重量輕成本低，可以在人不易進(jìn)入的各種惡劣環(huán)境工作，常用來執(zhí)行航拍取景、實(shí)時監(jiān)控、地形勘探等任務(wù)。目前，無人機(jī)在快遞等新興領(lǐng)域也得到一定應(yīng)用。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，多旋翼無人機(jī)也最容易進(jìn)入大眾消費(fèi)的領(lǐng)域。在消費(fèi)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。多旋翼無人機(jī)平臺叁第一章第二章第三章第四章固定翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成無人直升機(jī)平臺多旋翼無人機(jī)平臺無人飛艇目錄肆低空飛艇主要指在對流層飛行的無人飛艇，按照用途，包括低空小型無人飛艇、低空大型貨運(yùn)飛艇、低空機(jī)器人警用無人飛艇、低空攝像無人飛艇、低空無人航測飛艇、低空地磁探測無人飛艇等?，F(xiàn)代無人飛艇根據(jù)工作環(huán)境不同可以分為低空飛艇和高空飛艇。圖片展示了幾種典型的低空、高空飛艇的高度——雷諾數(shù)圖。無人飛艇肆從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行區(qū)分，無人飛艇可以分為軟式飛艇、硬式飛艇、半硬式飛艇三種。其中軟式飛艇又叫壓力飛艇，其氣囊外形依靠內(nèi)部充壓氣體的壓力來保持。硬式飛艇是由金屬結(jié)構(gòu)保持主氣囊的外形，在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)充入輕于空氣的氣體來產(chǎn)生無人飛艇所需的浮力。半硬式飛艇一般以金屬或碳纖維龍骨做支撐構(gòu)架，通過充入充壓氣體獲得浮力和保持氣囊外形。無人飛艇肆

無人軟式飛艇美國“Aeroscraft”號軍用運(yùn)輸硬式飛艇北京航空航天大學(xué)研發(fā)的“圓夢號”平流層飛艇現(xiàn)代無人飛艇通常由氣囊、動力裝置、尾翼、吊艙這些主體結(jié)構(gòu)及艇載任務(wù)設(shè)備、控制系統(tǒng)、頭部裝置、尾部裝置、系留裝置、起落架和地面控制設(shè)備這些部分組成。如圖所示。無人飛艇肆氣囊是飛艇的主要部件。氣囊均具有流線型外形，一般圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)而成，旨在減小空氣阻力。氣囊要能承受飛行過程中各種力的作用，如空氣靜力、空氣動力和發(fā)動機(jī)推力等。氣囊通常包括主氣囊和輔助氣囊。主氣囊通過充滿氦氣使飛艇獲得浮力。主氣囊通常由滌綸、聚酯纖維等人造纖維材料織成。主氣囊的人造纖維材料表面帶有涂層，通過膠粘、高頻焊接和熱氣焊接使其具備一定的抗拉強(qiáng)度和較好的氣密性。對軟式無人飛艇來說，其主氣囊通常為整體空腔的形式。而對半硬式、硬式無人飛艇而言，由于有金屬或碳纖維龍骨作為支撐構(gòu)架，主氣囊內(nèi)部通常分隔成若干個空腔。輔助氣囊又稱為副氣囊，當(dāng)壓力、溫度等大氣環(huán)境參數(shù)變化引起主氣囊內(nèi)部氦氣壓力變化時，輔助氣囊通過充氣或放氣來控制和保持無人飛艇的形狀和浮力。無人飛艇肆無人飛艇的吊艙和動力系統(tǒng)動力裝置為無人飛艇的起飛、降落和懸停提供動力。無人飛艇的動力裝置包括發(fā)動機(jī)、減速器和螺旋槳。由于無人飛艇的飛行速度通常較低，因此通常選用螺旋槳活塞發(fā)動機(jī)克服阻力、推動飛艇飛行?，F(xiàn)代無人飛艇通常擁有兩臺或兩臺以上的發(fā)動機(jī)提供動力。對于軟式無人飛艇，發(fā)動機(jī)一般對稱安裝在吊艙的兩側(cè)。對于半硬式、硬式無人飛艇，發(fā)動機(jī)一般安裝在無人飛艇艇身的支撐骨架上。圖片為某無人飛艇的吊艙和動力裝置。目前，世界各國競相發(fā)展可改變推力方向的轉(zhuǎn)向發(fā)動機(jī)以及利用太陽能等新能源的無人飛艇動力裝置。無人飛艇肆無人飛艇的頭部裝置通常由艇錐和撐條兩部分組成。頭部裝置的主要作用是保持主氣囊頭部的外形，抵抗飛行中的頭部風(fēng)壓，并為系留裝置提供機(jī)械接口。艇錐是由高強(qiáng)度金屬材料制成的圓錐體，錐底含有與撐條連接的耳片，錐頭安裝有與系留裝置配套的鎖銷和栓口。撐條的外形與主氣囊頭部外形的曲率一致，同艇錐相連接，位于氣囊頭部并呈放射狀分布。撐條的材料通常選用鋁合金，由粘接在主氣囊上的撐條套固定。無人飛艇肆無人飛艇的尾部裝置安裝或采用補(bǔ)片形式粘接于主氣囊尾部，其外形與無人飛艇的艇錐相似，尾部裝置上可以安裝結(jié)尾繩、尾燈等設(shè)備。尾翼為無人飛艇提供方向穩(wěn)定性，其作用類似于飛機(jī)尾翼。方向舵與升降舵是無人飛艇的操控舵面，與飛機(jī)的方向舵與升降舵功能類似。尾翼通常有四片和三片兩種形式。飛艇尾翼的常見布局形式有“X”型和“Y”型?！癤”型由四片尾翼對稱安裝于氣囊尾部，“Y”型由三片尾翼互成120度夾角安裝于氣囊尾部。無人飛艇尾翼的實(shí)物圖無人飛艇肆無人飛艇的系留裝置由系留桿、系留頭（位于系留桿頂部）和系留鎖（與系留頭相匹配）組成。系留裝置用于固定近地停放的無人飛艇，當(dāng)無人飛艇頭部裝置的系留鎖銷插入系留鎖后即實(shí)現(xiàn)了上述固定，但無人飛艇的頭部仍可以隨風(fēng)轉(zhuǎn)動其朝向。無人飛艇肆無人飛艇的起落架具有降低著陸時的撞擊載荷，方便地面滑行和停放。無人飛艇的起落架形式與飛機(jī)起落架類似，但由于無人飛艇降落時重量和速度都比較小，因此無人飛艇的起落架強(qiáng)度較飛機(jī)小得多。小型無人飛艇和水上降落的無人飛艇采用氣囊來代替起落架，實(shí)現(xiàn)著陸緩沖。但對于大、中型無人飛艇及需要具備系留、庫外停放、地面機(jī)動等功能的無人飛艇而言多采用起落架形式。無人飛艇的起落架由支柱、外筒、撐桿、地面位置