空氣動力學(xué)基礎(chǔ)與飛行原理

空氣動力學(xué)基礎(chǔ)與飛行原理一、空氣動力學(xué)基本原理當(dāng)一個(gè)物體在空氣中運(yùn)動，或者空氣從物體表面流過的時(shí)候，空氣對物體都會產(chǎn)生作用力。我們把空氣這種作用在物體上的力叫做空氣動力。空氣動力作用在物體的整個(gè)表面上。它既可以產(chǎn)生對飛機(jī)飛行有用的力，也可以產(chǎn)生對飛機(jī)飛行不利的力。升力是使飛機(jī)克服自身重量保持在空氣中飛行的力；阻力是阻礙飛機(jī)前進(jìn)的力。為了使飛機(jī)能夠在空氣中飛行，就要在飛機(jī)中安裝發(fā)動機(jī)，產(chǎn)生向前的拉力去克服阻力，飛機(jī)和空氣發(fā)生相對運(yùn)動，產(chǎn)生升力去克服重力。1.相對性原理在運(yùn)動學(xué)中，把運(yùn)動的相對性叫做相對性原理或者叫做可逆性原理。相對性原理對于研究飛機(jī)的飛行是很有意義的。飛機(jī)和空氣做相對運(yùn)動，無論是飛機(jī)運(yùn)動而空氣靜止，還是飛機(jī)靜止而空氣向飛機(jī)運(yùn)動，只要相對運(yùn)動速度一樣，那么作用在飛機(jī)上的空氣動力就是一樣的。根據(jù)這個(gè)原理，在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，可以采用一種叫風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。這種設(shè)備利用風(fēng)向或其他方法在風(fēng)洞中產(chǎn)生穩(wěn)定的氣流。把模型放在風(fēng)洞里，進(jìn)行吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，用來研究飛機(jī)的空氣動力問題，模型在風(fēng)洞里測出的數(shù)據(jù)和模型在空氣中以相同的速度飛行時(shí)測出的數(shù)據(jù)是相近似的。2.連續(xù)性原理

為了一目了然地描述流體的流動情況，需要引入流線的概念。流體微團(tuán)流動時(shí)所經(jīng)過的路徑叫做流線。穩(wěn)定流體流過某一個(gè)通道的流線。從圖中可以看到，截面寬的地方流線稀，截面窄的地方流線密。由于流線只能在通道中流動，在單位時(shí)間內(nèi)通過通道上任何截面的流體質(zhì)量都是相等的。因此，連續(xù)性原理可以用下式表示：3.伯努利定律

當(dāng)兩張紙中間有空氣流過的時(shí)候，中間空氣流動的速度快，壓強(qiáng)便小了，紙外壓強(qiáng)比紙內(nèi)大，內(nèi)外的壓強(qiáng)差就把兩張紙往中間壓去，中間空氣流動的速度越快，紙內(nèi)紙外的壓強(qiáng)也就越大。

伯努利定律在下述條件下才成立：（1）氣流是連續(xù)的、穩(wěn)定的。（2）流動中的空氣與外界沒有能量交換。（3）氣流中沒有摩擦，或摩擦很小，可以忽略不計(jì)。（4）空氣的密度沒有變化，或變化很小，可認(rèn)為不變。二、飛行原理（以多旋翼為例）一般情況下，多旋翼飛行器可以通過調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)4個(gè)方向上的運(yùn)動，分別為：垂直、俯仰、橫滾和偏航。垂直運(yùn)動，即升降控制在圖（a）中，兩對電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動。當(dāng)外界擾動量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動的關(guān)鍵。俯仰運(yùn)動，即前后控制

在圖（b）中，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。橫滾運(yùn)動，即左右控制

與圖（b）的原理相同，在圖（c）中，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，便可以使機(jī)身繞x軸方向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)飛行器橫滾運(yùn)動。偏航運(yùn)動，即旋轉(zhuǎn)控制

四旋翼飛行器偏航運(yùn)動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖（d）中，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電