空氣動力學與飛行原理課件：無人機的基本知識

空氣動力學與飛行原理

無人機的基本知識無人機的飛行原理與飛機的飛行原理一致，尤其是固定翼無人機。無人機飛行平臺結構多種多樣，但是，各式無人機的基本組成是相同的，下面的內容按照固定翼、直升機、多旋翼、飛艇的順序介紹結構和組成。無人機的基本知識第一節(jié)一、二、三、四、固定翼無人機的結構與組成無人直升機平臺多旋翼無人機平臺無人飛艇學習大綱目錄頁第一節(jié)一、二、三、四、固定翼無人機的結構與組成無人直升機平臺多旋翼無人機平臺無人飛艇目錄頁壹固定翼無人機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、結構可靠性高，市場上常見的無人機多為正常式布局。正常式布局飛機由機翼、機身、尾翼、起落架等組件組成。尾翼位于機翼后面。固定翼無人機的結構與組成壹上圖展示了一種正常布局的無人機——航測無人機的實物圖。在不包含電子設備的情況下，固定翼無人機平臺由機翼、機身、尾翼、起降系統(tǒng)、動力系統(tǒng)這六部分組成。固定翼無人機的通用結構如圖所示固定翼無人機的結構與組成壹固定翼無人機依靠機翼與空氣的相對運動產生足夠的升力維持空中飛行。機翼主要由主翼面、可動的副翼和襟翼（微型和輕型無人機沒有）組成。副翼主要用于滾轉操縱控制，襟翼主要用于起降階段的增升。無人機結構有多梁式、多墻式、單塊式等結構。典型單梁式無人機機翼的結構如圖所示。機翼由翼梁、桁條、普通翼肋、前墻、后墻、蒙皮、接口、加強肋等組成（微型和輕型無人機可以沒有前墻）。固定翼無人機的結構與組成壹機身產生升力很小，主要用于裝載設備、燃料、有效載荷等裝置，將機翼、尾翼、起落架、動力裝置連接成一個整體。固定機翼無人機的機身有桁梁式、桁條式、硬殼式三種類型。圖片展示了典型固定翼無人機的機身結構。固定翼無人機的結構與組成壹尾翼用來配平、穩(wěn)定和操縱固定翼無人機，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的偏航運動，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的俯仰運動，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。

固定翼無人機的結構與組成壹固定翼無人機起降系統(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，在發(fā)動機點火或電動機啟動至推力最大后，由釋放員手動拋射起飛固定翼無人機的結構與組成壹這種起飛方式簡單方便，可以減輕結構質量，適合單兵作戰(zhàn)需求，拋射起飛對無人機起降系統(tǒng)要求低，但是只適用于質量較輕的無人機，如果釋放失敗后可能會對無人機造成毀滅性的損壞，并對拋射者產生一定危險?；鸺剖狡痫w方式中，無人機安裝在發(fā)射架上，尾部火箭點火產生起飛速度所需推力。主要用于小型和輕型無人機，現在仍然服役的“紅”Ⅱ型靶機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)射前準備時間也較長。在消費級和工業(yè)級無人機中較少使用。彈射起飛方式中，無人機安裝在彈射支架上，由彈射裝置產生推力使無人機加速到起飛離地速度實現起飛。彈射起飛方式如圖所示。固定翼無人機的結構與組成壹上圖展示了固定翼無人機起落架的結構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，對跑道要求低，受外界環(huán)境干擾小，成功率高，成為當今輕型無人機的主要發(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、機輪、收放機構組成。這種起飛方式在小型和大型無人機中應用較多。一般微型和輕型無人機沒有收放機構，緩沖器也較為簡單。固定翼無人機的結構與組成壹一、二、三、四、固定翼無人機的結構與組成無人直升機平臺多旋翼無人機平臺無人飛艇目錄貳無人直升機是一種重于空氣的航空器，與固定翼無人機由機翼產生升力不同，無人直升機主要由于旋翼旋轉產生相對于空氣的運動，進而獲得升力。除了提供升力，無人直升機的旋翼還為其提供推進力，使其具有大多數固定翼無人機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。與固定翼無人機相比，無人直升機的飛行速度低、耗油量較高、航程較短。無人直升機還有一大特點，即旋翼旋轉產生的反扭效應。無人直升機的旋翼為其提供升力和推進力的同時，無人直升機的機身也會受到反扭矩的作用而產生向反方向旋轉的趨勢。為了克服旋翼旋轉產生的反作用扭矩，一般采用在機身尾部安裝尾槳或采用雙旋翼設計。按照克服旋翼反作用扭矩的不同，可以將無人直升機分為單旋翼尾槳無人直升機、共軸雙旋翼無人直升機、橫列式雙旋翼無人直升機和縱列式雙旋翼無人直升機。其中前兩種在無人直升機中應用較為廣泛。無人直升機平臺貳單旋翼尾槳的傳統(tǒng)無人直升機由發(fā)動機、機身、旋翼、傳動系統(tǒng)和尾槳組成。旋翼的自動傾斜器可以實現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節(jié)旋翼和尾槳的轉速。圖片展示了單旋翼直升機型無人機實物圖。無人直升機的操縱要求較高，尤其在逆風飛行和有側風的情況下操控師更應謹慎操作。共軸雙旋翼無人直升機具有兩個變槳距旋翼，彼此同軸反向旋轉，抵消扭矩。其優(yōu)點是無需機身，結構更加緊湊，載荷更大，常用作大載荷無人機。無人直升機平臺貳第一章第二章第三章第四章固定翼無人機的結構與組成無人直升機平臺多旋翼無人機平臺無人飛艇目錄叁多旋翼無人機平臺由機身主體、動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，機架、支臂、起落架、任務載荷設備構成了機身主體，電機、螺旋槳、電調、電池構成了動力系統(tǒng)，也是其旋翼系統(tǒng)。飛控導航設備、機上數據鏈路構成了控制系統(tǒng)。多旋翼無人機的旋翼個數大多數為偶數（少數三旋翼無人機），并對稱分布在機體的前后、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。且各旋翼的結構和半徑都相同，相鄰的旋翼安裝正反螺旋槳，用以抵消陀螺效應和旋轉扭矩。常見的多旋翼無人機平臺有四旋翼無人機、六旋翼無人機和八旋翼無人機。多旋翼無人機出現在21世紀初，它依靠若干旋翼為無人機的飛行提供升力和推進力。多旋翼無人機的旋翼大小相同，分布位置對稱，通過調節(jié)旋翼轉速來調整實現無人機的懸停、前進等飛行動作。由于多旋翼無人機需要對旋翼的旋轉速度進行精準的同步調制，因此往往選用電動機作為旋翼驅動裝置。多旋翼無人機飛行穩(wěn)定，操縱靈活，結構簡單，體積小重量輕成本低，可以在人不易進入的各種惡劣環(huán)境工作，常用來執(zhí)行航拍取景、實時監(jiān)控、地形勘探等任務。目前，無人機在快遞等新興領域也得到一定應用。鑒于以上優(yōu)點，多旋翼無人機也最容易進入大眾消費的領域。在消費領域得到廣泛應用。多旋翼無人機平臺叁第一章第二章第三章第四章固定翼無人機的結構與組成無人直升機平臺多旋翼無人機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、低空大型貨運飛艇、低空機器人警用無人飛艇、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。現代無人飛艇根據工作環(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——雷諾數圖。無人飛艇肆從結構上進行區(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，其氣囊外形依靠內部充壓氣體的壓力來保持。硬式飛艇是由金屬結構保持主氣囊的外形，在主體結構內充入輕于空氣的氣體來產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”號軍用運輸硬式飛艇北京航空航天大學研發(fā)的“圓夢號”平流層飛艇現代無人飛艇通常由氣囊、動力裝置、尾翼、吊艙這些主體結構及艇載任務設備、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架，主氣囊內部通常分隔成若干個空腔。輔助氣囊又稱為副氣囊，當壓力、溫度等大氣環(huán)境參數變化引起主氣囊內部氦氣壓力變化時，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、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)動機克服阻力、推動飛艇飛行?，F代無人飛艇通常擁有兩臺或兩臺以上的發(fā)動機提供動力。對于軟式無人飛艇，發(fā)動機一般對稱安裝在吊艙的兩側。對于半硬式、硬式無人飛艇，發(fā)動機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向發(fā)動機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壓，并為系留裝置提供機械接口。艇錐是由高強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尾繩、尾燈等設備。尾翼為無人飛艇提供方向穩(wěn)定性，其作用類似于飛機尾翼。方向舵與升降舵是無人飛艇的操控舵面，與飛機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。“X”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，當無人飛艇頭部裝置的系留鎖銷插入系留鎖后即實現了上述固定，但無人飛艇的頭部仍可以隨風轉動其朝向。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度較飛機小得多。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，實現著陸緩沖。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