第一章 无人机空气动力学基本知识

1.1 无人机空气动力学基本概念

1.1.1 空气动力学的定义和研究方法

1. 空气动力学的定义

空气动力学主要研究物体和空气之间有相对运动时，即物体在空气中运动时，空气的运动规律及作用力所服从的规律；具体包括：气体做相对运动情况下的受力特性、气体运动规律和伴随发生的物理变化。

2. 空气动力学研究方法

（1）实验研究方法

依靠风洞、水洞、激波管以及测试设备进行模型试验或飞行试验。

优点：依据相似理论能在与所研究问题完全相同或大体相同的条件下进行模拟或观测，所得结果真实可靠。

缺点：实验研究方法会受到模型尺寸的限制和实验条件的影响；实验测量的手段也会影响所得结果的精度；实验通常要耗费大量的人力物力。

（2）理论分析方法

通过实验或观察，对问题进行分析和研究，找出问题的主要因素，忽略次要因素，抽象出近似合理的理论模型。

运用基本定律、原理和数学分析，建立描述问题的数学方程，以及相应的边界条件和起始条件。

利用各种数学方法准确地或近似地解出方程。

对所得结果进行分析、判断，并通过必要的实验与之比较，确定精度和适用范围。

考虑未计入的因素，对公式或结果进行修正。

优点：科学抽象，能够利用数学方法求得理论结果，揭示问题的内在规律。

缺点：受数学发展水平的限制，以及理论模型抽象简化，难以得到工程上满意的结果。

（3）数值计算方法

 

1.1.2 无人机空气动力学的定义、内容和工具

1. 无人机空气动力学的定义

无人机空气动力学是研究无人机与周围空气有相对运动时所产生的空气动力的一门科学。包括固定翼无人机空气动力学和旋翼无人机空气动力学。

2. 无人机空气动力学所研究的内容

（1）基本理论方面：阐明无人机飞行过程中与周围空气相互作用的空气动力现象、流动现象、流场分布等，分析空气流动时无人机的受力情况，以便对无人机的几何外形进行修改，改善无人机的气动特性，提高无人机的飞行性能，增进飞行品质。

（2）性能计算方面：在理论和实验的基础上，分析主要构造参数对无人机飞行性能的影响，建立无人机的空气动力计算方法，为无人机设计所用。

（3）飞行力学方面：主要包括性能计算，例如速度、高度、航程和燃油消耗量的定量计算；飞行动力学正解技术以及飞行动力学逆解技术。

（4）飞行品质方面：研究整架无人机的平衡问题及其对控制系统与功率变化的反应；分析无人机在各种飞行状态下的稳定性及操纵性，包括对大气紊流的反应及如何控制的问题等。

 

1.2 大气飞行环境的基本知识

1.2.1 大气飞行环境的定义和组成

1. 大气飞行环境

飞行器在大气层内飞行时所处的环境条件称为大气飞行环境。

2. 大气的组成

大气由干空气、水分及悬浮其中的粉尘颗粒物组成。

干空气：78%的氮气+21%的氧气+少量的其他气体（氩气、二氧化碳、氖气和臭氧）。

水蒸气：只占大气总容积的0.4%，并且随着高度的升高，含量在减少。水蒸气是云、雨、雾形成的必要条件。

粉尘颗粒物：来源于有机物燃烧的颗粒、风吹起的沙尘、火山灰尘、宇宙尘埃、海水浪花溅起的盐粒、植物花粉、细菌微生物、工业排放物。水汽的凝结核心。

1.2.2 大气的分层

大气分层的主要依据气层气温垂直分布的特点。

1. 对流层：

该层空气流动状态是上升气流和下降气流为主的对流运动。

最主要的特点：空气具有强烈的对流运动，是天气变化最复杂的层次。水蒸气几乎都存在于对流层，对流层是对飞行影响最严重的层次。密度最大，集中了全部大气质量的3/4。高度：低纬度地区17-18km、中纬度地区10-12km、南北极地区8-9km，同一纬度地区，夏季对流层上界高度高于冬季。

2. 平流层

位于对流层之上，上界伸展到50-55km。

特点：气流主要表现为水平方向的流动，基本上没有水蒸气，很少发生天气变化，空气没有垂直运动，气流平稳。空气稀薄，只占整个大气质量的1/4。吸收太阳紫外线作用，因此温度随高度的升高而升高。

3. 中间层：

中间层位于平流层上，距离地球表面50-85km。

特点：空气更为稀薄，质量仅占整个大气质量的1/3000。气温随高度的升高而迅速降低，是大气层中温度最低的层次。空气的垂直对流强烈。

4. 电离层：

中间层之上，距离地表800km。

特点：大量吸收太阳紫外辐射温度升高；空气处于电离或完全电离的状态，存在相当多的自由电子和离子，能反射无线电短波，使地面上可以实现短波无线电通信。极光、流星发生在此层。

5. 散逸层：

在电离层之上，距离地面800km以上。

特点：是地球大气的最外层，由带电粒子组成。

1.3 大气的基本物理性质

1.3.1 连续介质假设和空气特性

1. 连续介质假设

不考虑气体分子的间距，也不研究个别气体分子的运动。可以把空气看成连绵一片的，没有间隙的，充满占据空间的连续的介质。

优势：把气体的一切属性看成空间的连续函数。

2. 密度

特点：大气层的空气密度随高度越高而减小，在10km的高度下，空气的密度只相当于海平面的1/3。高度增加，升力减小，推力下降，输出功率下降。

3. 空气温度

注意单位换算。在对流层内，高度每升高100m，温度下降0.65℃。

4. 空气压力

5. 大气温度、密度和压力随高度的变化关系

1.3.2 空气的压缩性和黏性

1. 压缩性

在低速流动时，可以忽略空气的压缩性，把空气看成不可压缩气体；但在高速飞行的时候，必须考虑空气的压缩性。

2. 黏性

黏性取决于速度梯度、空气温度、接触面积和气体性质。黏性引起摩擦阻力。

3. 国际标准大气

引入目的：国际标准大气是人为规定大气温度、密度、压力等随高度变化的关系，得出统一的数据，作为计算和试验飞行器的统一标准。