14.第六章無人機飛艇基本飛信原理（第一、二節(jié)）

1、LOGO1空氣動力學與飛行原理第六章：無人飛艇基本飛行原理第一節(jié)：無人飛艇飛行原理2無人飛艇基本飛行原理前 言飛艇是利用輕于空氣的氣體來提供升力的航空器。它是人類文明史上較早出現(xiàn)的航空器，屬于浮空器的一種。美國聯(lián)邦航空局編制的飛艇設(shè)計準則把飛艇定義為：“飛艇是一種由發(fā)動機驅(qū)動的、輕于空氣的、可以操縱的航空器。”飛艇可以分為有人飛艇和無人飛艇兩類。作為特殊的無人機，它在結(jié)構(gòu)特點、空氣動力學特性和操控等方面都有其獨到的地方。參數(shù)無人飛艇固定翼無人機無人直升機飛行速度0120 km/h603000km/h0400km/h飛行時間長中等短懸停能力可以不可以可以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單中等復雜可靠性好中等差從表中，

2、可知相比于其它兩種無人機，飛艇的結(jié)構(gòu)特點賦予它諸多優(yōu)勢，如滯空時間長（飛行時間以天或月為基本計算單位）、受天氣影響小、能量消耗低、載重量大、安全性能好、振動小，可方便的實現(xiàn)垂直起降、空中懸停和低速飛行。這些優(yōu)勢使其在執(zhí)行監(jiān)視、探測等任務時更具潛力，將其應用于軍事探測、通信中轉(zhuǎn)、交通運輸、地質(zhì)勘探、抗險救災等領(lǐng)域，是無人飛艇的應用熱點。本章介紹了無人飛艇的飛行原理、操縱控制特點等內(nèi)容。3無人飛艇基本飛行原理固定翼無人機和無人直升機主要涉及空氣動力學，利用無人機與空氣的相對運動產(chǎn)生升力，而無人飛艇的懸停和系留主要涉及空氣靜力學，前飛或控制時才關(guān)注空氣動力學?？諝忪o力學關(guān)注沉浸在大氣中的物體所受到的

3、靜態(tài)浮力，空氣動力學則關(guān)注物體與大氣產(chǎn)生相對運動時的空氣動力。第一節(jié)4空氣靜力學原理空氣動力學原理目錄頁第一節(jié)5空氣靜力學空氣動力學目錄頁壹6空氣靜力學原理無人飛艇依靠浮力升空，其浮力的大小遵從空氣靜力學中的阿基米德定律，浮力公式為即無人飛艇氣囊內(nèi)氦氣壓力與氣囊外空氣壓力差導致其產(chǎn)生浮力。現(xiàn)代無人飛艇氣囊中的氣體為氦氣。氦氣為惰性氣體，較氫氣而言安全性好。在標準海平面大氣條件下，無人飛艇氣囊內(nèi)部的氦氣將提供10.539N/m3的單位升力。由于無人飛艇氣囊內(nèi)部的氦氣通常達不到100%純度，因此在實際中氦氣產(chǎn)生的單位升力通常為9.8N/m3（1kg/m3）。在實際飛行中，無人飛艇通過調(diào)節(jié)副氣囊的大

4、小來調(diào)節(jié)浮力大小，從而實現(xiàn)自身的上升和下降。右圖展示了軟式無人飛艇通過副氣囊調(diào)節(jié)飛行高度的原理示意圖。由圖可知：要實現(xiàn)無人飛艇高度下降的要求，需要向副氣囊泵入空氣使副氣囊膨脹，副氣囊膨脹壓縮主氣囊使之排氣體積減小，進而導致凈浮力減小。要實現(xiàn)無人飛艇高度上升的要求，需要讓副氣囊排出空氣使副氣囊收縮，副氣囊收縮使得主氣囊體積膨脹使之排氣體積增加，進而導致凈浮力增大。壹7空氣靜力學原理飛艇高度、大氣溫度和濕度都對飛艇的浮力大小有影響。除了高度這個影響因素之外，溫度和大氣濕度也會對飛艇的浮力產(chǎn)生影響。溫度升高時，氦氣膨脹導致無人飛艇的氣囊體積增大、氦氣密度減小，浮力增加。在國家大氣標準海平面，溫度上升

5、10會使得氦氣氣囊的浮力增加約4%，其中3.66%是單獨由無人飛艇氣囊體積增大產(chǎn)生的。由于空氣的摩爾質(zhì)量約為29而水蒸氣的摩爾質(zhì)量為18，因此大氣濕度越大意味著其密度越低。進而由阿基米德原理分析可知：在相同排氣體積的條件下，大氣濕度越大無人飛艇產(chǎn)生的浮力越小。壹眾所周知，隨著高度增加大氣密度和大氣壓力會有所降低。因此在無人飛艇上升過程中，氣囊中的氦氣不斷膨脹直至氣囊被完全充滿，通常將氣囊完全充滿時無人飛艇所在的高度稱為“壓力高度”。在“壓力高度”出現(xiàn)之前的上升過程中，盡管無人飛艇的排氣體積有所增加有利于增大浮力，然而由于大氣密度下降抵消了上述浮力增大的作用，因此在標準大氣條件下無人飛艇的浮力隨

6、高度增加有所減小。在無人飛艇上升至“壓力高度”以上時，由于隨高度增加氣囊排氣體積不再增大且大氣密度持續(xù)降低，無人飛艇的浮力顯著減小，直至穩(wěn)定在浮力與無人飛艇自身重力相平衡的高度上。左圖表明了不同大氣溫度下無人飛艇浮力與高度之間的變化關(guān)系。8空氣靜力學空氣動力學目錄貳9空氣動力學原理無人飛艇屬于低速飛行器（飛行速度大多低于150km/h），它在低速飛行時，其空氣動力學特性滿足第三章所述的伯努利定理。無人飛艇具有尾翼和體積龐大的氣囊，因此其在飛行過程中既存在空氣升力也有較大的空氣阻力。如第三章所述，無人飛艇在空氣中飛行所受到的阻力主要為壓差阻力和摩擦阻力兩個方面。對于壓差阻力為主的運動，通常運用參

7、考面積定義阻力系數(shù)。對于摩擦阻力為主的運動，通常使用表面積定義摩擦阻力系數(shù)。由于無人飛艇的壓差阻力與摩擦阻力的比重相當，通常使用無人飛艇艇身體積的三分之二次方定義阻力系數(shù)。無人飛艇的阻力系數(shù)還與其飛行速度的平方成反比。貳10空氣動力學原理除了無人飛艇的艇身體積和飛行速度之外，長細比也對無人飛艇的阻力系數(shù)有較大影響。第三章壓差阻力說明，外形與翼型越接近，其壓差阻力越小。在飛艇中，長細比越大，無人飛艇的壓差阻力越小，但由于同樣體積艇身外形的表面積越大，因此其摩擦阻力也相應增大。右圖顯示了不同雷諾數(shù)下無人飛艇的阻力系數(shù)隨長細比的變化趨勢。由圖可知：當長細比較小時，無人飛艇所受到的阻力主要為壓差阻力；

8、隨著長細比增加，壓差阻力減小且摩擦阻力增大，無人飛艇的總阻力有所減?。划旈L細比增加至一定程度后，壓差阻力的減小量與摩擦阻力的增加量大小相當，此時飛艇所受的總阻力達到最小值；此后當長細比進一步增加時，摩擦阻力的增加量超過了壓差阻力的減小量，無人飛艇的總阻力有所增大。在長細比4至6的范圍內(nèi)，無人飛艇的阻力系數(shù)最小（大小位于0.02至0.03之間）；高空無人飛艇的雷諾數(shù)在1107左右，其阻力系數(shù)一般小于0.02。因此對于小型軟式無人飛艇，最佳長細比為4。對于大型硬式無人飛艇，最佳長細比在6至7之間。貳11空氣動力學原理無人飛艇的升力（或稱動升力）指的是作用在飛艇表面（包括艇身和尾翼）上的力在垂直于來

9、流方向上的分量。無人飛艇的升力主要由兩部分組成：第一部分是帶攻角飛行時無人飛艇艇身上下表面的壓力差，第二部分是無人飛艇尾翼產(chǎn)生的升力。雖然無人飛艇的升力與浮力相比小很多，但其對飛艇姿態(tài)控制、運動穩(wěn)定性和平衡無人飛艇凈重有著不可替代的作用。無人飛艇的升力系數(shù)一般通過風洞試驗、實際飛行試驗和數(shù)值計算獲得。上圖展示了無人飛艇飛行過程中所受的力。貳12空氣動力學原理與一般無人機有所不同，無人飛艇在飛行迎角為0時所受的阻力最小，無人飛艇的升阻比最大。飛行迎角在1至3范圍內(nèi)，無人飛艇升力系數(shù)的增加量稍大于阻力系數(shù)的增加量，升阻比較大；當飛行迎角超過3時，隨著飛行迎角增大升力系數(shù)增加較小但阻力系數(shù)明顯增大，

10、升阻比顯著減小。因此，現(xiàn)代無人飛艇通常選擇在0至3范圍之內(nèi)的有利迎角飛行。貳LOTTE艇身的升力系數(shù)、阻力系數(shù)LOGO13空氣動力學與飛行原理第六章：無人飛艇基本飛行原理第二節(jié)：無人飛艇操縱控制14地面操作飛行操縱目錄頁第二節(jié)15地面操作飛行操縱目錄頁壹16sectionsectionsectionsectionsectionsectionsectionsection艇庫停放地面移動系留解系無人飛艇的地面操作通常包括艇庫停放、地面移動、系留、解系、地面回收這五個部分。在無人飛艇離開艇庫后，地面操作最重要的一點是保持低速控制。地面操作壹sectionsection0501020304地面回收17

11、sectionsection艇庫停放無人飛艇的裝配、整修及長時間不運行時需要在艇庫停放。由于無人飛艇的體積巨大，因此通常需要寬度較廣、容積巨大的庫棚進行停放。圖10. 19展示了無人飛艇艇庫停放的實景圖片。在艇庫停放中，無人飛艇的進庫與出庫是較容易出現(xiàn)事故的環(huán)節(jié)，操作時必須十分謹慎。由于在艇庫庫門附近會經(jīng)常受到橫向風、紊流等空氣流動的影響，因此在進庫與出庫操作時必須極力避免無人飛艇艇身碰撞庫壁和庫門。地面操作壹18sectionsection地面移動無人飛艇的地面移動主要依靠多名地勤人員協(xié)調(diào)配合將無人飛艇由一處移動至另外一處。地勤組人員通常由兩名無人飛艇頭部拉繩員、兩名扶艙員和兩名無人飛艇尾部

12、拉繩員組成。左圖是無人飛艇地面移動時地勤組人員的位置分布示意圖。由于地面存在陣風的影響，需要地勤組人員配合使無人飛艇不會明顯偏離其預定的地面移動軌跡，通過各地勤人員的協(xié)調(diào)合作確保無人飛艇在地面移動過程中的安全。地面操作壹19系留無人飛艇在庫外不飛行時或在飛行間隔需要做短暫停留時常采用系留操作。對無人飛艇系留裝置的要求有兩個：一是安全可靠，抗風能力強；二是機動靈活、操作簡便，盡量機械化。飛艇在航線的中間站停留時，不可能有完善的系留設(shè)備，只能把飛艇系留在一些地面建筑物、大樹樁或簡易的系留柱上。當航線的中間站在野外或偏僻地區(qū)時，無人飛艇上配備諸如錨鏢投射器或是帶鉆頭的可伸縮的系留柱這樣的自動系留裝置

13、。左圖是無人飛艇地面系留時的情景圖。由上述分析可知：系留操作的可靠性涉及無人飛艇的地面安全，地面操作人員十分關(guān)鍵、責任重大。地面操作壹sectionsection20解系與無人飛艇的其它地面操作相比，對解系的操作技術(shù)要求相對較少。解系要求在釋放無人飛艇后直至上升到正常操作高度和速度的過程中確保無人飛艇沒有接觸地面設(shè)備的風險。在無人飛艇的解系操作中需要通過空氣動升力的獲取來控制好上升的速度和加速度，保證無人飛艇離地升空的安全性。地面操作壹sectionsection地面回收無人飛艇的地面回收操作是危險性較高和艱難的地面操作。要實現(xiàn)無人飛艇的地面回收，需要將其水平速度和垂直速度都減小至0m/s。由

14、于無人飛艇對風向變化相對敏感和翼面載荷較低，在地面回收過程中將無人飛艇精確定位在系留設(shè)備或地面著陸點十分有挑戰(zhàn)性。有時無人飛艇的地面回收允許短距離的滾動著陸，通過繩索拴住無人飛艇艇身使其靜止于地面，其著陸難度相對較小。sectionsection21地面操作飛行操縱目錄貳22起飛上升巡航飛行操縱貳無人飛艇的自駕系統(tǒng)與固定翼無人機類似，主要包括艇載自駕儀和地面站。其原理如右圖所示。操控師在地面實現(xiàn)無人飛艇的飛行操縱。無人飛艇的飛行操縱包括起飛、上升、巡航、空中懸停、著陸、復飛這六個部分。其中巡航和空中懸?？梢杂勺詣玉{駛系統(tǒng)完成。其它過程需要操控師利用無線電遙控設(shè)備手動完成。同時，起飛操作和著陸操

15、作需要若干地勤組人員配合?？罩袘彝Ｖ憦惋w23飛行操縱貳無人飛艇的起飛操縱是由操控師和地勤組共同完成。在起飛之前，需要對無人飛艇進行起飛前的準備工作。無人飛艇的起飛前準備工作包括稱重、配重、設(shè)備檢查、啟動發(fā)動機、副氣囊供氣、無人飛艇俯仰姿態(tài)檢查這六個部分。稱重的目的是判斷無人飛艇的實際凈重狀態(tài)，為無人飛艇的配重提供依據(jù)。地勤組的扶艙員先將無人飛艇抬起然后松手放下，觀察無人飛艇是上飄還是下沉。上飄代表無人飛艇處于負凈重狀態(tài)，下沉代表無人飛艇處于正凈重狀態(tài)。在通過稱重得到無人飛艇凈重情況后，操控師和地勤組需要結(jié)合大氣溫度、預計飛行時間等因素進行配重。配重指的是往無人飛艇上加配壓艙物，壓艙物通常選用

16、砂帶，一般情況下起飛前需要通過配重將無人飛艇調(diào)整到零凈重狀態(tài)（既不下沉也不上飄的狀態(tài)）。設(shè)備檢查主要是對無人飛艇的導航系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、動力裝置等設(shè)備進行起飛前檢查，確保飛行過程中各設(shè)備的正常運行。啟動發(fā)動機指的是在動力裝置設(shè)備檢查完成后發(fā)動機開車，一般情況下先啟動右側(cè)發(fā)動機，再啟動左側(cè)發(fā)動機。有些情況下啟動后還需要將油門操縱桿推至最大功率觀察發(fā)動機運行及振動情況，若無異常再將油門操縱桿推回至怠速狀態(tài)。副氣囊供氣時無人飛艇壓力系統(tǒng)所有閥門應處于自動位置，且應該系好繩索防止飛艇突然升空。無人飛艇俯仰姿態(tài)檢查指的是起飛前應確認無人飛艇在自然狀態(tài)下的俯仰角應為0或1。起飛起飛24飛行操縱貳無人飛艇起飛

17、時要確保前方空間盡量開闊，應預留至少40m的起飛距離并保證起飛前方50m內(nèi)沒有無15m以上的障礙物。無人飛艇一般采用迎風起飛的方式，地勤人員將吊艙抬起至人胸部高度，同時一名地勤人員抓住無人飛艇尾部，并隨風向變化地勤人員及時調(diào)整角度使無人飛艇始終處于迎風狀態(tài)。起飛時操控師將舵面操縱桿后拉至最大位置，控制升降舵偏轉(zhuǎn)以獲取更大的空氣動升力達到合適的飛行迎角。同時無人飛艇操控師將發(fā)動機油門推到最大位置，地勤扶艙員將無人飛艇抬起，手舉吊艙并順勢向上推出，位于無人飛艇尾部的地勤人員將尾部稍向下按后迅速松開。這樣，無人飛艇會迅速形成飛行迎角并向前上方飛行。操控師目視無人飛艇升空，當無人飛艇上升至約15m高度

18、時，操控師收發(fā)動機油門至額定功率位置，讓無人飛艇保持一定的飛行迎角繼續(xù)上升，無人飛艇的起飛動作完成。起飛起飛25飛行操縱貳 無人飛艇完成起飛后，保持飛行迎角并利用浮升力和空氣動力上升高度，此時發(fā)動機油門保持額定功率，觀察主氣囊壓力狀態(tài)并根據(jù)主氣囊壓力適時調(diào)整副氣囊的供氣。直至無人飛艇上升至巡航高度后停止上升。上升上升 巡航和空中懸停均可由自動駕駛系統(tǒng)完成。無人飛艇在上升至巡航高度后按照預定的航線進行巡航飛行。此時收發(fā)動機油門至平飛功率，同時將舵面操縱桿推到平飛位置（0飛行迎角），無人飛艇可維持定高定速飛行。巡航巡航無人飛艇的空中懸停指的是相對于地面沒有運動，由于無人飛艇通常受到空氣流動和大氣擾

19、動的影響，因此要實現(xiàn)空中懸停，通常需要矢量推進發(fā)動機的配合和自動駕駛系統(tǒng)不斷調(diào)整無人飛艇的姿態(tài)。除此之外，空中懸停時無人飛艇的頭部必須向著來風方向逆風而行，而且其凈重必須接近“零凈重”狀態(tài)?？罩袘彝？罩袘彝?6飛行操縱貳無人飛艇的著陸技術(shù)分為氣動著陸和矢量推力著陸。其中，空氣著陸主要利用空氣動力進行著陸，適用于非矢量推進裝置的無人飛艇。矢量推力著陸主要利用矢量動力裝置完成著陸，適用于配備矢量發(fā)動機的無人飛艇。要完成無人飛艇的著陸，首先要進行高度下降。將無人飛艇的發(fā)動機油門調(diào)整到降落功率，使無人飛艇減速的同時打開鼓風機向副氣囊供氣以保持氣囊壓力。當高度下降至一定程度時，進一步縮減發(fā)動機油門，對準

20、預定著陸地點保持一定的下滑角接著下降高度。在下滑過程中保持好無人飛艇的速度和下降率并做適時調(diào)整以應對風速、風向的變化。在無人飛艇高度下降至15m左右時，為了使無人飛艇速度進一步減小，操控師需將發(fā)動機油門收至最小位置。在離地高度為5m左右時需要將無人飛艇頭部拉平，使其退出下滑準備飄落著陸。著陸著陸硬著陸硬著陸27飛行操縱貳當艇繩接地時，地勤組著陸接艇的工作正式開始，在地勤人員拉住艇繩時，操控師關(guān)閉無人飛艇發(fā)動機。地勤組進行著陸接艇時，地面指揮員應根據(jù)近地風速、風向情況選擇最佳著陸點，通常情況下著陸點選擇在地勤組人員“V”形排列隊形開口前10m左右位置。著陸接艇時，地勤人員以“V”形或“人”字形朝向無人飛艇來向排開。下圖展示了地勤組人員著陸接艇時的照片。當艇繩接地時拉繩員迅速拉住艇繩，扶艙員上前接住吊艙，所有地勤人員一面隨著無人飛艇向前運動，一面盡力對無人飛艇進行減速，直至無人飛艇停落在地面。拉繩員應向后拉繩，使無人飛艇在迎風條件下逐漸減速，切忌向下拉繩使無人飛艇的頭部撞向地面。如果無人飛艇