空氣動(dòng)力學(xué)與飛行原理旋翼空氣動(dòng)力學(xué)旋翼無人機(jī)指無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)。與固定翼無人機(jī)不同，旋翼無人機(jī)中旋翼既是升力面，又是操縱面，同時(shí)提供前飛動(dòng)力。雖然多旋翼無人機(jī)和無人直升機(jī)在結(jié)構(gòu)形式、飛行原理、操縱原理等方面完全不同，但從產(chǎn)生升力的本質(zhì)上來說，多旋翼無人機(jī)和無人直升機(jī)有很多相近的地方。多旋翼無人機(jī)主要依靠每個(gè)旋翼上的螺旋槳葉片在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生升力，無人直升機(jī)主要依靠主旋翼上的槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生升力。旋轉(zhuǎn)葉片是這兩類無人機(jī)產(chǎn)生升力的重要部件。旋翼空氣動(dòng)力學(xué)（a）多旋翼無人機(jī)旋翼及螺旋槳旋翼槳葉除了隨機(jī)體一起作直線或曲線外，還要繞旋翼軸旋轉(zhuǎn)，因此槳葉空氣動(dòng)力現(xiàn)象比機(jī)翼復(fù)雜很多。無人直升機(jī)旋翼既是升力面，又是操縱面，因此比多旋翼螺旋槳運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，涵蓋了螺旋槳產(chǎn)生空氣動(dòng)力的典型原因。下面主要以無人直升機(jī)的翼型和旋翼說明其空氣動(dòng)力的主要特性。旋翼空氣動(dòng)力學(xué)（b）無人直升機(jī)旋翼及槳葉一、二、翼型旋翼目錄頁壹旋翼翼型定義與固定翼翼型相同，指槳葉在展向某個(gè)截面的剖面形狀。與固定翼無人機(jī)機(jī)翼不同的是，旋翼槳葉有其特殊的翼型形狀，并且翼型形狀和扭轉(zhuǎn)角沿展向位置不同。早期直升機(jī)槳葉的翼型為對稱翼型，如NACA4位數(shù)翼型族。這種翼型在變距過程中，氣動(dòng)中心保持不變，能夠在旋轉(zhuǎn)中保持穩(wěn)定，并且操縱載荷最小。現(xiàn)在主要采用非對稱翼型。這種翼型的壓力中心隨攻角的變化而移動(dòng)，但可以通過扭轉(zhuǎn)角的修正來產(chǎn)生和對稱翼型相似的性能。這種翼型升力特性更好，阻力發(fā)散馬赫數(shù)有明顯提高。如ONERA的OA2系列、OA3系列、OA4系列、OA5系列、Boeing-Vertol公司的VR系列、Sikorsky公司的SC系列、DLR的DM-H系列以及俄羅斯的TsAGI系列等。翼型槳葉截面形狀-翼型壹對稱和非對稱翼型對于翼型，其空氣動(dòng)力產(chǎn)生原理與固定翼翼型相同，由伯努利定理可以解釋其升力產(chǎn)生原因。升力計(jì)算公式也與固定翼翼型相同。即壹但對于旋翼翼型，該公式中有兩點(diǎn)與固定翼不同，一是速度V，二是迎角α。速度V不僅包含來流速度，也包含槳葉旋轉(zhuǎn)速度。且槳葉每個(gè)剖面旋轉(zhuǎn)引起的線速度均不同。迎角α不是指來流速度與翼型剖面的夾角，而是指合成速度與翼型剖面夾角。并且，由于旋翼既是升力面，又是操縱面，變距操作會引起槳葉剖面角度的改變，同時(shí)影響每個(gè)時(shí)刻迎角大小。翼型對這兩點(diǎn)解釋如下：假設(shè)無人直升機(jī)作垂直運(yùn)動(dòng)，翼型速度由兩部分組成。一是向上的垂直運(yùn)動(dòng)的空氣流動(dòng)，在給定的飛行條件下該氣流保持不變。另一個(gè)是槳葉旋轉(zhuǎn)引起的周向氣流流動(dòng)，它的大小為ωR，每個(gè)展向位置速度均不同，方向與槳葉旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反。如圖所示。旋翼在前飛運(yùn)動(dòng)中氣流流速也為飛行速度與旋轉(zhuǎn)速度的合成，大小和方向時(shí)刻發(fā)生改變。懸停中氣流速度為旋轉(zhuǎn)速度，大小不變，方向時(shí)刻發(fā)生變化。旋翼旋轉(zhuǎn)合成速度示意壹翼型迎角為氣流流速與翼型弦線的夾角。如前所述，一方面合成氣流方向與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，導(dǎo)致迎角與不旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼的迎角有所不同。另一方面，總距操縱、橫向周期變距操縱和縱向周期變距會改變旋翼翼型弦線與旋轉(zhuǎn)平面的夾角，這個(gè)角度稱為變距角。綜合這兩方面因素，翼型的迎角在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中時(shí)刻發(fā)生變化。迎角與變距角的概念也不相同。變距角和迎角的關(guān)系壹翼型一、二、翼型旋翼目錄貳旋翼同時(shí)具有固定翼無人機(jī)的升力作用、動(dòng)力作用和操縱作用。其主要作用如下：（1）升力作用：通過翼型產(chǎn)生升力，旋翼產(chǎn)生向上的升力用來克服直升機(jī)的重力，維持空中飛行。（2）動(dòng)力作用：通過揮舞運(yùn)動(dòng)，改變槳尖平面方向，旋翼產(chǎn)生向前的水平分力克服空氣阻力使直升機(jī)前進(jìn)。（3）操縱作用：通過變距操作，旋翼產(chǎn)生其他分力及力矩對直升機(jī)進(jìn)行控制和機(jī)動(dòng)飛行。旋翼槳葉空氣動(dòng)力特性分為三個(gè)方面，一是升力方面，最大升力系數(shù)要高，這樣能延遲在后行工作區(qū)產(chǎn)生的失速。二是阻力方面，延緩前行槳葉的失速，可以降低氣動(dòng)阻力。第三個(gè)是力矩方面，為了降低交變載荷，氣動(dòng)力矩系數(shù)要小。旋翼貳增相比較固定翼，旋翼槳葉空氣流動(dòng)現(xiàn)象有如下特點(diǎn)：（一）速度、迎角、空氣動(dòng)力沿翼根到翼尖變化槳葉旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致在不同的位置獲得不同的相對來流速度，這樣會最終導(dǎo)致在靠近槳尖部載荷最大，為了使槳葉在展向受力盡量保持均勻，槳葉在制造的時(shí)候通常沿展向會有一個(gè)不同的初始攻角。一般在靠近根部的區(qū)域槳葉的截面攻角會大一些，在靠近尖部的區(qū)域截面攻角較小。貳攻角沿槳葉展向分布規(guī)律旋翼槳葉做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，槳葉上的速度為：V=Ωr其中，Ω為槳葉旋轉(zhuǎn)速度，r為槳葉的展向位置。通過此式可以得出，在懸停狀態(tài)下，越靠近槳尖，速度越大。貳旋翼相對風(fēng)速在槳葉展向位置上的分布由于槳葉上的速度隨展向位置增大，通常來說氣動(dòng)力應(yīng)該隨速度的增加而增大，但翼尖速度可能達(dá)到亞音速，跨音速，甚至超音速，這樣會導(dǎo)致槳尖產(chǎn)生失速，導(dǎo)致槳尖升力損失，槳尖阻力增加。由于槳尖損失，一般在槳尖處升力減少。如下圖所示。貳旋翼槳葉在前飛時(shí)，旋翼槳葉的主要工作區(qū)包括前行槳葉工作區(qū)、后行槳葉工作區(qū)以及懸停狀態(tài)，由于合成速度的影響，前行槳葉工作區(qū)域的馬赫數(shù)大。而后行槳葉工作區(qū)域的馬赫數(shù)小。在懸停狀態(tài)，槳葉旋轉(zhuǎn)一周，槳葉上的氣動(dòng)力分布基本保持不變，在翼根處，由于初始攻角加上變距角的存在，可能使翼型在靠近翼根處攻角較大，使翼根區(qū)域處于失速狀態(tài)。當(dāng)旋翼前飛狀態(tài)時(shí)，由于前飛速度的存在，導(dǎo)致槳盤在旋轉(zhuǎn)過程中整個(gè)槳盤氣動(dòng)力不再對稱。我們將槳盤分為兩個(gè)區(qū)域，槳葉前進(jìn)區(qū)域和槳葉后退區(qū)域。在槳葉前進(jìn)區(qū)域由于旋轉(zhuǎn)速度和前進(jìn)速度的疊加，導(dǎo)致槳葉相對來流速度增加，將增大前進(jìn)區(qū)域槳葉上的氣動(dòng)力。在后退區(qū)域中由于槳葉后退速度和前飛速度相減，導(dǎo)致槳葉上的相對來流速度減小。尤其在后退區(qū)域的槳根處，由于前飛速度要大于根部速度，將導(dǎo)致在根部出現(xiàn)反流區(qū)。貳旋翼懸停時(shí)槳葉氣動(dòng)區(qū)域分布前飛時(shí)刻槳葉氣流區(qū)域分布（二）槳根的反流區(qū)由于在后退區(qū)域，槳葉旋轉(zhuǎn)速度和前飛速度相減，會導(dǎo)致后退區(qū)域的升力損失，會造成槳盤升力的不對稱，此時(shí)為了保持升力對稱，彌補(bǔ)升力損失，需要給槳葉一個(gè)較大的變距操縱，此時(shí)翼尖速度較大且處于較大攻角之下，則會出現(xiàn)翼尖失速情況。當(dāng)直升機(jī)懸?？拷孛鏁r(shí)，將會產(chǎn)生明顯的地效效應(yīng)。地效效應(yīng)會使直升機(jī)誘導(dǎo)阻力減小，同時(shí)能獲得比空中飛行更高升阻比的流體力學(xué)效應(yīng):當(dāng)運(yùn)動(dòng)的直升機(jī)距地面(或水面)很近時(shí)，整個(gè)槳盤的上下壓力差增大，升力會陡然增加。貳旋翼地面效應(yīng)（三）槳尖失速、槳尖渦和地面效應(yīng)懸停時(shí)槳尖平面垂直于槳軸，旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的升力等于機(jī)身重力。懸停時(shí)由于槳葉在展向?qū)?yīng)處的槳葉的來流速度不同，會導(dǎo)致在展向力的分布相應(yīng)不同。另外由于槳葉受周期力的作用，導(dǎo)致槳尖在旋轉(zhuǎn)時(shí)將同時(shí)繞槳榖做揮舞運(yùn)動(dòng)。懸停時(shí)槳葉揮舞運(yùn)動(dòng)壹翼型（四）旋翼槳葉揮舞運(yùn)動(dòng)1、展弦比對機(jī)翼升力的影響有哪些？2、在展弦比一定的情況下，怎樣對翼稍進(jìn)行處理從而減小誘導(dǎo)阻力？3、旋翼同時(shí)具有固定翼無人機(jī)的升力作用、動(dòng)力作用和操縱作用。其主要作用有哪些？4、相比較固定翼，旋翼槳葉空氣流動(dòng)現(xiàn)象有哪些特點(diǎn)？課后練習(xí)空氣動(dòng)力學(xué)與飛行原理牛頓定律與無人機(jī)受力一、二、牛頓定律無人機(jī)受力目錄頁壹在考慮固定翼無人機(jī)的飛行穩(wěn)定性特性時(shí)，需要將其當(dāng)成剛體，除了具有三個(gè)平動(dòng)的自由度，還具有繞機(jī)體軸轉(zhuǎn)動(dòng)的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。如果評價(jià)其飛行性能，則可以將無人機(jī)作為質(zhì)點(diǎn)處理，只有三個(gè)平動(dòng)自由度，此時(shí)牛頓定律可以解釋無人機(jī)的多數(shù)飛行性能。牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律：在不受任何外力或所受外力之和為零的狀態(tài)下，物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或是靜止?fàn)顟B(tài)。例如無人機(jī)的定直平飛狀態(tài)的飛行性能就可以利用牛頓第一定律來分析。在定直平飛狀態(tài)無人機(jī)所受的合外力為零。即升力等于重力，推力等于阻力。此時(shí)無人機(jī)保持定直平飛狀態(tài)。圖為無人機(jī)定直平飛所受外力示意圖。牛頓定律壹無人機(jī)定直平飛所受外力示意圖牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律：數(shù)學(xué)形式為即，物體所受到的合外力等于質(zhì)量乘以加速度。例如無人機(jī)的水平加減速性能可以采用該定理進(jìn)行解釋。在水平加減速時(shí)，垂直方向上的升力等于重力，水平方向上發(fā)動(dòng)機(jī)克服阻力后的剩余推力提供無人機(jī)水平加速特性。從該公式可以看出，相同質(zhì)量情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力越大，水平加減速性能越好。相同發(fā)動(dòng)機(jī)推力情況下，質(zhì)量越小，加減速性能越好。牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律：兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力總是大小相等，方向相反，作用在一條直線上。壹牛頓定律一、二、牛頓定律無人機(jī)受力目錄貳無人機(jī)所受到的主要作用力有：升力、阻力、推力、重力。升力和阻力是空氣動(dòng)力的分量，主要由機(jī)翼產(chǎn)生。推力或拉力是維持固定翼無人機(jī)飛行的動(dòng)力（在滑翔機(jī)中沒有）。重力是具有質(zhì)量的物體在地球引力作用下產(chǎn)生的，方向始終豎直向下。維持固定翼無人機(jī)飛行的基本原理是升力克服重力，推力克服阻力。無人機(jī)受力無人機(jī)飛行主要受力示意圖貳貳

上一章節(jié)已經(jīng)講過升力產(chǎn)生原理和影響因素。作用于無人機(jī)的力若剛好平衡，此時(shí)無人機(jī)保持原來的狀態(tài)，比如定直平飛、上升或下降。如果不平衡，則合力不為零，依牛頓第二定律就會產(chǎn)生加速度，如沿機(jī)體軸的加速運(yùn)動(dòng)及繞機(jī)體軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。