空氣動力學與飛行原理課件：無人機與大氣基本知識

空氣動力學與飛行原理無人機與大氣基本知識第一節(jié)：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(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)生起飛速度所需推力。主要用于小型和輕型無人機，現(xiàn)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(chǎn)生推力使無人機加速到起飛離地速度實現(xiàn)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(chǎn)生升力不同，無人直升機主要由于旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)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(shù)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(zhuǎn)產(chǎn)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(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(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(cè)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(zhuǎn)，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(diào)、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(shù)據(jù)鏈路構成了控制系統(tǒng)。多旋翼無人機的旋翼個數(shù)大多數(shù)為偶數(shù)（少數(shù)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(zhuǎn)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(xiàn)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(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速來調(diào)整實現(xiàn)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(zhuǎn)速度進行精準的同步調(diào)制，因此往往選用電動機作為旋翼驅(qū)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?，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(nèi)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(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(xiàn)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(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(nèi)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(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、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(xiàn)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(cè)。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(zhuǎn)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?！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(xiàn)了上述固定，但無人飛艇的頭部仍可以隨風轉(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(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、地面位置鎖、限位裝置、緩沖繩、緩沖器、機輪等部分組成。無人飛艇肆吊艙是無人飛艇的重要組成部分，它通常懸掛于主氣囊下部，是無人飛艇任務載荷的平臺。無人飛艇的吊艙用于承載設備、貨物、燃油，安裝推進系統(tǒng)等。無人飛艇肆無人飛艇的艇載控制設備包括GPS接收機、電子羅盤、傳感器、攝像系統(tǒng)、導航飛控系統(tǒng)及通信鏈路設備等，用來實現(xiàn)對無人飛艇的導航飛控。無人飛艇的地面控制設備由遙控器、主控計算機、通信鏈路設備、顯示系統(tǒng)等組成，用于完成對無人飛艇起飛、著陸及可視范圍內(nèi)的飛行控制。無人飛艇肆謝謝觀看空氣動力學與飛行原理無人機與大氣基本知識第二節(jié)：大氣的基本知識大氣飛行環(huán)境，主要指飛行器在大氣層內(nèi)飛行時所處的環(huán)境條件。包圍地球的空氣層(即大氣)是航空器的唯一飛行活動環(huán)境，也是導彈和航天器的重要飛行環(huán)境。大氣的基本知識第二節(jié)一、二、大氣的基本要素大氣層劃分學習大綱目錄頁第二節(jié)一、二、大氣的基本要素大氣層劃分目錄頁壹氣溫是表示空氣冷熱程度的物理量，它實質(zhì)上是空氣分子平均動能大小的宏觀表現(xiàn)，一般情況下，我們可將空氣看作理想氣體。這樣空氣分子的平均動能就是空氣內(nèi)能。因此氣溫的升高或降低，也就是空氣內(nèi)能的增加或減少。在實際大氣中，氣溫變化的基本方式有非絕熱變化和絕熱變化兩種。而對某一地點的氣溫(又稱局地氣溫)來說，其變化除了與那里的氣塊溫度的絕熱和非絕熱變化有關外，還與不同溫度氣塊的移動有關表示大氣狀態(tài)的物理量和物理現(xiàn)象通稱為氣象要素。氣溫、氣壓、濕度等物理量是氣象要素，風、云、降水等天氣現(xiàn)象也是氣象要素，它們都能在一定程度上反映當時的大氣狀況。其中，氣溫、氣壓和空氣濕度稱為三大氣象要求。大氣的基本要素(一)氣溫壹氣壓即大氣壓強，是指與大氣相接觸的面上，空氣分子作用在每單位面積上的力。這個力是由空氣分子對接觸面的碰撞而引起的，也是空氣分子運動所產(chǎn)生的壓力。常用的量度單位有百帕(hPa)和毫米汞柱(mmHg)，其換算關系為1hPa=100N/㎡=0.75mmHg。大氣的基本要素壹(二)氣壓12氣壓隨高度的變化

在大氣處于靜止狀態(tài)時，某一高度上的氣壓值等于其單位水平面積上所承受的上部大氣柱的重力，隨著高度增加，其上部大氣柱越來越短，且氣柱中空氣密度越來越小，氣柱重力也就越來越小。航空上常用的氣壓

(1)本站氣壓：指氣象臺氣壓表直接測得的氣壓。由于各測站所處地理位置及海拔高度不同，本站氣壓常有較大差異。(2)修正海平面氣壓：是由本站氣壓推算到同一地點海平面高度上的氣壓值。運用修正海平面氣壓便于分析和研究氣壓水平分布情況，海拔高度大于1500m的測站不推算修正海平面氣壓，因為推算出的海平面氣壓誤差可能過大，失去意義。(3)場面氣壓：指著陸區(qū)(跑道入口端)最高點的氣壓。場面氣壓也是由本站氣壓推算出來的。飛機起降時為了準確掌握其相對跑道的高度,就需要知道場面氣壓。場面氣壓也可由機場標高點處的氣壓代替。(4)標準海平面氣壓：大氣處于標準狀態(tài)下的海平面氣壓稱為標準海平面氣壓,其值為1013.25hPa或760mmHg.海平面氣壓是經(jīng)常變化的，而標準海平面氣壓是一個常數(shù)。大氣的基本要素壹氣壓與高度

飛機飛行時，測量高度多采用無線電高度表和氣壓式高度表。無線電高度表所測量的是飛機相對于所飛越地區(qū)地表的重直距離。無線電高度表能不斷地指示飛機相對于所飛越地表的高度，并對地形的任何變化都很“敏感”.氣壓式高度表是主要的航行儀表。它是一個高度靈敏的空盒氣壓表，但刻度盤上標出的是高度，另外有一個輔助刻度盤可顯示氣壓，高度和氣壓都可通過旋鈕調(diào)定。高度表刻度盤是在標準大氣條件下按氣壓隨高度的變化規(guī)律而確定的，即氣壓式高度表所測量的是氣壓，根據(jù)標準大氣中氣壓與高度的關系，就可以表示高度。飛行中常用的氣壓高度有以下幾種:(1)場面氣壓高度(QFE)：它是飛機相對于起飛或著陸機場跑道的高度。為使氣壓式高度表指示場面氣壓高度飛行員需按場壓來撥正氣壓式高度表.將氣壓式高度表的氣壓刻度撥正到場壓值上。（2）標準海平面氣壓高度（QNE）：它是指相對于標準海平面（氣壓為760mmhg或1013.25hpa）的高度。飛機在航線上飛行時,都要按標準海平面氣壓調(diào)整高度表，目的是使所有在航線上飛行的飛機都有相同的“零點”高度，并按此保持規(guī)定的航線儀表高度飛行，以避免飛機在空中相撞(3)修正海平面氣壓高度(QNH)，如果按修正海平面氣壓撥正氣壓式高度表，則高度表將顯示出修正海平面氣壓高度。在飛機著陸時，將高度表指示高度減去機場標高就等于飛機距機場跑道面的高度。大氣的基本要素壹我們已經(jīng)知道，大氣中含有水汽.大氣中的水汽含量是隨時間、地點、高度、天氣條件而不斷變化的。空氣濕度就是用來量度空氣中的水汽含量或者空氣潮濕程度的物理量。大氣的基本要素壹(三)空氣濕度一、二、大氣的基本要素大氣層劃分目錄貳大氣層無明顯的上限，它的各種特性在鉛垂方向上的差異非常明顯，例如空氣密度隨高度增加而很快趨于稀薄。以大氣中溫度隨高度的分布為主要依據(jù)，可將大氣層劃分為對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層(外大氣層)等5個層次(圖1.24)。航空器的大氣飛行環(huán)境是對流層和平流層。大氣層對飛行有很大影響，惡劣的天氣條件會危及飛行安全，大氣屬性(溫度、壓力、濕度、風向、風速等)對飛機飛行性能和飛行航跡也會產(chǎn)生不同程度的影響。大氣層劃分貳地球大氣中最低的一層。對流層中氣溫隨高度增加而降低，空氣的對流運動極為明顯，空氣溫度和濕度的水平分布也很不均勻。對流層的厚度隨緯度和季節(jié)變化，一般低緯度地區(qū)平均為16-18公里；中緯度地區(qū)平均為10-12公里；高緯度地區(qū)平均為8-9公里。就季節(jié)而言，中國絕大部分地區(qū)一般都是夏季對流層厚，冬季對流層薄。對流層集中了全部大氣約四分之三的質(zhì)量和幾乎全部的水汽，是天氣變化最復雜的層次，也是對飛行影響最重要的層次。飛行中所遇到的各種重要天氣現(xiàn)象幾乎都出現(xiàn)在這一層中，如雷暴、濃霧、低云幕、雨、雪、大氣湍流、風切變等。在對流層內(nèi)，按氣流和天氣現(xiàn)象分布的特點，又可分為下層、中層和上層3個層次。（一）對流層大氣層劃分貳21對流層下層又稱摩擦層。它的范圍自地面到1~2公里高度。但在各地的實際高度又與地表性質(zhì)、季節(jié)等因素有關一般說來，其高度在粗糙地表上高于平整地表上，夏季高于冬季(北半球)，晝間高于夜間。在下層中，氣流受地面摩擦作用很大，風速通常隨高度增加而增大。在復雜的地形和惡劣天氣條件下，常存在劇烈的氣流擾動，威脅著飛行安全。突發(fā)的下沖氣流和強烈的低空風切變常會引起飛機失事。另外，充沛的水汽和塵埃往往導致濃霧和其他惡化能見度的現(xiàn)象，對飛機的起飛和著陸構成嚴重的障礙。為了確保飛行安全，每個機場都規(guī)定有各類飛機的起降氣象條件。另外，對流層下層中氣溫的日變化極為明顯，晝夜溫差可達10-40°C。對流層中層它的底界即摩擦層頂，上界高度約為6公里，這一層受地表的影響遠小于摩擦層。大氣中云和降水現(xiàn)象大都發(fā)生在這一層內(nèi)。這一層的上部，氣壓通常只及地面的一半，在那里飛行時需要使用氧氣。一般輕型運輸機、直升機等常在這一層中飛行。人事管理與人力資源管理貳34對流層上層

它的范圍從6公里高度伸展到對流層的頂部。這一層的氣溫常年都在0°C以下，水汽含量很少。各種云都由冰晶或過冷卻水滴組成。在中緯度和副熱帶地區(qū)，這一層中常有風速等于或大于30米/秒的強風帶，即所謂的高空急流。飛機在急流附近飛行時往往會遇到強烈顛簸，使乘員不適，甚至破壞飛機結構和威脅飛行安全。對流層頂

在對流層和平流層之間，還有一個厚度為數(shù)百米到1~2公里的過渡層，稱為對流層頂。對流層頂對垂直氣流有很大的阻擋作用。上升的水汽、塵粒等多聚集其下，那里的能見度往往較差。人事管理與人力資源管理貳平流層位于對流層頂之上，頂界伸展到約50-55公里。在平流層內(nèi)，隨著高度的增加氣溫最初保持不變或微有上升，到25-30公里以上氣溫升高較快，到了平流層頂氣溫約升至270-290K。平流層的這種氣溫分布特征同它受地面影響小和存在大量臭氧(臭氧能直接吸收太陽輻射)有關。這一層過去常被稱為同溫層，實際上指的是平流層的下部。在平流層中，空氣的垂直運動遠比對流層弱，水汽和塵粒含量也較少，因而氣流比較平緩，能見度較佳。對于飛行來說，平流層中氣流平穩(wěn)、空氣阻力小是有利的一面，但因空氣稀薄，飛行器的穩(wěn)定性和操縱性惡化，這又是不利的一面。高性能的現(xiàn)代殲擊機和偵察機都能在平流層中飛行。隨著飛機飛行上限的日益增高和火箭、導彈的發(fā)展，對平流層的研究日趨重要。（二）平流層大氣層劃分貳（三）中間層（四）熱層（五）散逸層從平流層頂大約50-55公里伸展到80-85公里高度。這一層的特點是:氣溫隨高度增加而下降，空氣有相當強烈的垂直運動。在這一層的頂部氣溫可低至160-190K。電離層又稱暖層或熱層，中層之上，整個層是電離的。熱層的范圍是從中間層頂伸展到約800公里高度。這一層的空氣密度很小，聲波也難以傳播。熱層的一個特征是氣溫隨高度增加而上升。另一個重要特征是空氣處于高度電離狀態(tài)。熱層又在電離層范圍內(nèi)。在電離層中各高度上空氣電離的程度是不均勻的，存在著電離強度相對較強的幾個層次，如D、E、F層。有時，在極區(qū)?？梢姷焦獠蕣Z目的極光。電離層的變化會影響飛行器的無線電通信。又稱逃逸層、外大氣層，是地球大氣的最外層，位于熱層之上。那里的空氣極其稀薄，同時又遠離地面，受地球的引力作用較小，因而大氣分子不斷地向星際空間逃逸。航天器脫離這一層后便進入太空飛行。大氣層劃分貳空氣動力學與飛行原理無人機與大氣基本知識第三節(jié)：大氣特性一、二、三、四、大氣壓力大氣壓力的度量海拔高度對大氣壓力、飛機性能的影響空氣密度差異的影響學習大綱目錄頁第三節(jié)一、二、三、四、大氣壓力大氣壓力的度量海拔高度對大氣壓力、飛機性能的影響空氣密度差異的影響目錄頁壹地球表面有一層厚厚的大氣層，由于地球引力的作用，大氣被“吸”向地球，雖然空氣很輕，但仍有質(zhì)量，有了質(zhì)量就產(chǎn)生了力，它作用于物體的效果就是壓力。著名的馬德堡半球?qū)嶒灳妥C明了大氣壓的存在。可以說，大氣壓力是地球引力作用的結果。大氣的基本知識第二節(jié)一、二、三、四、大氣壓力大氣壓力的度量海拔高度對大氣壓力、飛機性能的影響空氣密度差異的影響目錄貳大氣測量的基本單位為帕斯卡(Pa).除此還有百帕(hPa)、毫巴(mbar).其換算關系為1mbar=1hPa=100Pa。因此標準海平面大氣壓力也為1013.25mbar.典型的毫巴壓讀數(shù)范圍為950-1040mbar。恒定壓力表和颶風壓力報告是使用毫巴來表示的。實際大氣狀態(tài)是不斷變化著的，而飛機的性能和某些儀表(高度表、空速表等)的示度，都與大氣狀態(tài)有關。為了便于比較飛機性能和設計儀表，必須以一定的大氣狀態(tài)為標準。目前由國際民航組織統(tǒng)一采用的標海平面大氣壓力為29.2mmHg(l013.25hPa)。海平面溫度為59F(15),海平面空氣標準密度為1.225g/m3.大氣壓力通常以水銀氣壓計的毫來汞柱(mmHp)來度量。如圖所示.水銀氣壓計通過測量玻璃管內(nèi)水銀柱的高度來度量大氣壓。一部分水銀暴露在大氣壓下，大氣對水銀施加一個力。壓力增加迫使管子里的水銀上升；壓力下降時，水銀柱的高度降低。此類氣壓計通常在實驗室或者天氣觀測站使用，其缺點是不易運輸讀數(shù)困難。大氣壓力的度量貳34521干潔大氣,且成分不隨高度改變，平均分子量為28.9644;具有理想氣體性質(zhì)；標準海平面重力加速度g=9.80665/s2；海平面絕對溫度T=288.150K=15℃,海平面空氣密度ρ=1.2250kg/m3；海平面壓力P。=1013.25hPa=760mmHg=1個標準大氣壓；在海拔11000以下,氣溫直減率為0.65℃/100m；在11000-20000，氣溫不變，為-56.5℃；在20000-30000m，氣溫直減率為

氣溫直減率為-0.1℃/100m。大氣壓力的度量貳國際標準與我國46oN地區(qū)的大氣十分接近，低緯度則有較大偏差。國家標準GB1920-80標準大氣規(guī)定。取其30km以下部分作為國家標準,其特性規(guī)定如下:第一章第二章第三章第四章大氣壓力大氣壓力的度量海拔高度對大氣壓力、飛機性能的影響空氣密度差異的影響目錄叁海拔高度對大氣壓力、飛機性能的影響叁隨著海拔升高，空氣變得稀薄，大氣壓力也隨之降低。一般來說，高度每增加1000ft,大氣壓力就會降低1mmHg。分布于全球的氣象站，為了提供一個記錄和報告的標準，都會按照海拔高度每增加1000m就近似增加1mmHg的規(guī)則將當?shù)卮髿鈮恨D(zhuǎn)化為海平面壓力。使用公共的海平面壓力讀數(shù)可以確?；诋斍皦毫ψx數(shù)的飛機高度計的設定是準確的。大氣壓力的降低對飛機性能有顯著影響。在較高的高度，伴隨著降低的大氣壓力，起飛和著陸距離會增加，爬升率也會減小。當一架飛機起飛時，升力必須通過機翼周圍的空氣流動才能產(chǎn)生。如果空氣稀薄，就需要更大的速度來獲得足夠的起飛升力，因此，地面滑跑距離就會延長。假設一架飛機在海平面5000ft以上高度的機場差不多需要兩倍也就是約400m的滑跑距離。第一章第二章第三章第四章大氣壓力大氣壓力的度量海拔高度對大氣壓力、飛機性能的影響空氣密度差異的影響目錄肆空氣密度差異的影響肆氣溫、氣壓和空氣濕度的變化都會對飛機性能和儀表指示造成一定的影響，這種影響主要通過它們對空氣密度的影響而實現(xiàn)?？諝饷芏扰c氣壓成正比，與氣溫成反比。對局部空氣而言,氣溫變化幅度比氣壓變化幅度要大得多，因此空氣密度變化主要由氣溫變化引起。飛機的飛行性能主要受大氣密度的影響。比如，當實際大氣密度大于標準大氣密度時，一方面空氣作用于飛機上的力要加大,另一方面發(fā)動機功率增大,推力增大。這兩方面作用的結果就會使飛機飛行性能變好，即最大平飛速度、最大爬升率和起飛載重量會增大,而飛機起飛、著陸的滑跑距離會縮短。當實際大氣密度小于標準大氣密度時,情況則相反。謝謝觀看練習題第三節(jié)1、固定翼無人機機身結構有哪幾種？2、機翼的作用是什么？3、多旋翼無人機由哪幾部分組成？4、無人直升機由哪幾部分組成？5、飛艇的類型有哪些？6、大氣層分為幾層？7、對流層和平流層的特點是什么？空氣動力學與飛行原理無人機與大氣基本知識第四節(jié)：低速氣流特性所謂低速氣流，是指流動速度小于0.3倍音速的氣流。所謂氣流特性，就是指流動中的空氣其壓強、密度、溫度以及流管粗細同氣流速度之間相互變化的關系。低速氣流特性第四節(jié)一、二、三、流場的概念運動的轉(zhuǎn)換連續(xù)性定理學習大綱目錄頁第四節(jié)一、二、三、流場的概念運動的轉(zhuǎn)換連續(xù)性定理目錄頁壹（一）流體（二）流場氣體和液體統(tǒng)稱為流體。氣體和液體的共同特性是不能保持一定形狀，具有流動性。氣體和液體的不同點表現(xiàn)在液體具有一定的體積，不可壓縮；而氣體可以壓縮。需要指出的是，當所研究的問題并不涉及到壓縮性時，所建立的流體力學規(guī)律，既適合于液體也適合于氣體。當涉及壓縮性時，氣體和液體就必須分別處理。氣體雖然是可壓縮的，但在許多工程中，氣體的壓力和溫度變化不大、氣流速度遠小于音速（如速度)時?？梢院雎詺怏w的壓縮性，這時即把氣體看作為不可壓縮的流體。我們把流體所占據(jù)的空間稱為流場。用以表示流體特性的物理量（稱為流體的運動參數(shù)），如速度、溫度、壓強、密度等。所以，流場又是分布上述運動參數(shù)的場。根據(jù)運動參數(shù)隨時間的變化，我們可以將流動分為定常流動與非定常流動。如果流場中液體的運動參數(shù)不僅隨位置不同而不同，而且隨時間變化而變化，這樣的流動稱為非定常流動。如果流場中流體的運動參數(shù)只隨位置改變而與時間無關，這樣的流動稱為定常流動。流場的概念壹（三）定常流動與非定常流動一、非定常流動時，由于流場中流速隨時間改變，經(jīng)過同一點的流線的空間方向和形狀是隨時間改變的。二、定常流動時，流場中各點流速不隨時間改變，所以同一點的流線始終保持不變，且流線與跡線（流場中流體質(zhì)點在一段時間內(nèi)運動的軌跡）重合。三、流線不能相交，也不能折轉(zhuǎn)。因為空間每一點只能有一個速度方向，所以不能有兩條流線同時通過同一點。四、流場中的每一點都有流線通過。由這些流線構成的流場的總體，稱為流線譜，簡稱：流譜。流線具有以下特征：流線是流場中某一瞬間的一條空間曲線，在該線上各點的流體質(zhì)點所具有的速度方向與曲線在該點切線方向重合。流場的概念壹（四）流線流場的概念壹由于流管表面由流線所圍成，而流線不能相交，因此流體不能穿出或穿入流管表面。在流體穩(wěn)定流動時流管就像一只真實的管子。充滿在流管內(nèi)的流體，稱為：流束。在流場中任意畫一封閉曲線，在該曲線上每一點做流線，由這些流線所圍成的管狀曲面，稱為：流管（五）流管與流束一、二、三、流場的概念運動的轉(zhuǎn)換連續(xù)性定理目錄貳當飛機在原來靜止的空氣中勻速直線飛行時，將引起飛機周圍的空氣運動，同時空氣將給飛機以作用力。這里有兩個坐標系可以用。一個是靜止坐標系，直接將牛頓定律用于空氣對飛機的作用力；另一個是動坐標系，飛行中的飛機對空氣的作用力。這兩個坐標系產(chǎn)生的作用力是相對的，而用這兩個坐標系求得的飛機所受的力是完全相同的。這就是運動的轉(zhuǎn)換原理。利用運動的轉(zhuǎn)換原理，可以使我們對空氣動力學的研究變得大為簡化。運動的轉(zhuǎn)換貳第一章第二章第三章流場的概念運動的轉(zhuǎn)換連續(xù)性定理目錄叁質(zhì)量守恒定律是自然界基本的定律之一，它說明物質(zhì)既不會消失，也不會憑空增加。如果把這個定律應用在流體的流動上，就可以得出這樣的結論：當流體低速、穩(wěn)定、連續(xù)不斷地流動時，流管里任一部分，流體都不能中斷或積聚，在同一時間內(nèi)，流進任何一個截面的流體質(zhì)量和從另一個截面流出的流體質(zhì)量應當相等。FFVVmm連續(xù)性定理叁連續(xù)性定理叁設截面Ⅰ的面積為F1，流速為V1，流體密度為

，

則單位時間內(nèi)流進該截面的流體質(zhì)量為：同理,設截面Ⅱ的面積為F2，流速為V2，流體密度為

，

則單位時間內(nèi)流進該截面的流體質(zhì)量為：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，

，即：由于截面Ⅰ和截面Ⅱ是任意選取的，所以可以認為，單位時間內(nèi)流過任何截面的流體質(zhì)量都是相等的，故得常數(shù)式中V------流管截面上的流體速度為，m/s；F------所取截面的面積，㎡。如果在流動過程中,流體密度不變,即

，則方程

常數(shù)可簡化為：

常數(shù)方程式

常數(shù)或常數(shù)稱為連續(xù)方程。進一步可寫成：它說明了流體流動速度和流管截面積之間的關系。由此看出，當?shù)退俣ǔＡ鲃訒r，流體速度的大小與流管的截面積成反比，這就是連續(xù)性定理。也可以粗略的說，截面積小的地方流速快，而截面積大的地方則流速慢。流體流動速度的快慢，可用流管中流線的疏密程度來表示。流線密的地方表示流管細，流體速度快，反之就慢。需要指出的是，連續(xù)性定理只適應于低速（流速V＜0.3Ma），即認為密度不變，不適于亞音速，更不適合于超音速。流管中流體的流動連續(xù)性定理叁謝謝觀看空氣動力學與飛行原理無人機與大氣基本知識第五節(jié)：高速氣流特性一、二、空氣的壓縮性激波學習大綱目錄頁第五節(jié)一、二、空氣的壓縮性激波目錄頁壹高速氣流之所以與低速氣流有如此的差別，其根本原因是空氣具有壓縮性的緣故?？諝庥捎趬毫?，溫度等條件改變而引起密度的變化叫做空氣的壓縮性。由于空氣的壓縮性會引起一系列的問題：弱擾動的傳播，高速氣流中壓力和流速隨流管截面積的變化，激波等。在大速度情況下，氣流速度變化引起空氣密度的變化顯著增大，就會引起空氣動力發(fā)生額外的變化，甚至引起空氣動力規(guī)律的改變，這就是高速氣體特性所以區(qū)別于低速氣流根本點。與飛行速度的關系空氣的壓縮性壹飛行速度20040060080010001200空氣密度增加的百分比1.3%5.3%12.2%22.3%45.8%56.6%空氣密度隨飛行速度變化的關系空氣本身溫度越高，越不易被壓縮。這種現(xiàn)象是空氣分子熱運動影響的結果。溫度越高