空气动力学与飞行原理 第6章 无人机飞艇基本飞信原理.pptx

空气动力学与飞行原理 第六章：无人飞艇基本飞行原理 第一节：无人飞艇飞行原理 无人飞艇基本飞行原理 前 言 飞艇是利用轻于空气的气体来提供升力的航空器。它是人类文明史上较早出现的航空器，属于浮空器的一种。美国联邦航空局编制的《飞艇设计准则》把飞艇定义为：“飞艇是一种由发动机驱动的、轻于空气的、可以操纵的航空器。”飞艇可以分为有人飞艇和无人飞艇两类。作为特殊的无人机，它在结构特点、空气动力学特性和操控等方面都有其独到的地方。 参数 无人飞艇 固定翼无人机 无人直升机 飞行速度 0～120 km/h 60～3000km/h 0～400km/h 飞行时间 长 中等 短 悬停能力 可以 不可以 可以 系统结构 简单 中等 复杂 可靠性 好 中等 差 从表中，可知相比于其它 两种无人机，飞艇的结构特点 赋予它诸多优势，如滞空时间 长（飞行时间以天或月为基本 计算单位）、受天气影响小、 能量消耗低、载重量大、安全性能好、振动小，可方便的实现垂直起降、空中悬停和低速飞行。 这些优势使其在执行监视、探测等任务时更具潜力，将其应用于军事探测、通信中转、交通运输、地质勘探、抗险救灾等领域，是无人飞艇的应用热点。 本章介绍了无人飞艇的飞行原理、操纵控制特点等内容。 无人飞艇基本飞行原理 固定翼无人机和无人直升机主要涉及空气动力学，利用无人机与空气的相对运动产生升力，而无人飞艇的悬停和系留主要涉及空气静力学，前飞或控制时才关注空气动力学。空气静力学关注沉浸在大气中的物体所受到的静态浮力，空气动力学则关注物体与大气产生相对运动时的空气动力。 第一节 一、 二、 空气静力学原理 空气动力学原理 学习大纲 目录页 第一节 一、 二、 空气静力学 空气动力学 目录页 壹 空气静力学原理 无人飞艇依靠浮力升空，其浮力的大小遵从空气静力学中的阿基米德定律，浮力公式为 即无人飞艇气囊内氦气压力与气囊外空气压力差导致其产生浮力。 现代无人飞艇气囊中的气体为氦气。氦气为惰性气体，较氢气而言安全性好。在标准海平面大气条件下，无人飞艇气囊内部的氦气将提供10.539N/m3的单位升力。由于无人 飞艇气囊内部的氦气通常达不到100%纯度，因此在实际中氦 气产生的单位升力通常为9.8N/m3（1kg/m3）。在实际飞行 中，无人飞艇通过调节副气囊的大小来调节浮力大小，从而实 现自身的上升和下降。右图展示了软式无人飞艇通过副气囊调 节飞行高度的原理示意图。由图可知：要实现无人飞艇高度下 降的要求，需要向副气囊泵入空气使副气囊膨胀，副气囊膨胀 压缩主气囊使之排气体积减小，进而导致净浮力减小。要实现 无人飞艇高度上升的要求，需要让副气囊排出空气使副气囊收 缩，副气囊收缩使得主气囊体积膨胀使之排气体积增加，进而导致净浮力增大。 壹 空气静力学原理 飞艇高度、大气温度和湿度都对飞艇的浮力大小有影响。 除了高度这个影响因素之外，温度和大气湿度也会对飞艇的浮力产生影响。 温度升高时，氦气膨胀导致无人飞艇的气囊体积增大、氦气密度减小，浮力增加。在国家大气标准海平面，温度上升10℃会使得氦气气囊的浮力增加约4%，其中3.66%是单独由无人飞艇气囊体积增大产生的。 由于空气的摩尔质量约为29而水蒸气的摩尔质量为18，因此大气湿度越大意味着其密度越低。进而由阿基米德原理分析可知：在相同排气体积的条件下，大气湿度越大无人飞艇产生的浮力越小。 壹 众所周知，随着高度增加大气密度和大气压力会有所降低。因此在无人飞艇上升过程中，气囊中的氦气不断膨胀直至气囊被完全充满，通常将气囊完全充满时无人飞艇所在的高度称为“压力高度”。在“压力高度”出现之前的上升过程中，尽管无人飞艇的排气体积有所增加有利于增大浮力，然而由于大气密度下降抵消了上述浮力增大的作用，因此在标准大气条件下无人飞艇的浮力随高度增加有所减小。在无人飞艇上升至“压力高度”以上时，由于随高度增加气囊排气体积不再增大且大气密度持续降低，无人飞艇的浮力显著减小，直至稳定在浮力与无人飞艇自身重力相平衡的高度上。左图表明了不同大气温度下无人飞艇浮力与高度之间的变化关系。 一、 二、 空气静力学 空气动力学 目录 贰 空气动力学原理 无人飞艇属于低速飞行器（飞行速度大多低于150km/h），它在低速飞行时，其空气动力学特性满足第三章所述的伯努利定理。无人飞艇具有尾翼和体积庞大的气囊，因此其在飞行过程中既存在空气升力也有较大的空气阻力。 如第三章所述，无人飞艇在空气中飞行所受到的阻力主要为压差阻力和摩擦阻力两个方面。对于压差阻力为主的运动，通常运用参考面积定义阻力系数。对于摩擦阻力为主的运动，通常使用表面积定义摩擦阻力系数。由于无人飞艇的压差阻力与摩擦阻力的比重相当，通常使用无人飞艇艇身体积的三分之二次方定义阻力系数。无人飞艇的阻力系数还与其飞行速度的平方成反比