国(guó)际(jì)标准大气
速度(用v表示)在标准公式中量纲用的是米/秒而不是千(qiān)米/小时。
要打(dǎ)破平衡(héng),改(gǎi)变速度大小或飞行方向(xiàng),需(xū)要力的变化来引(yǐn)起相应(yīng)的加速度(dù)的变化。
牛顿第二运动定律表明,要获得(dé)给定加速度,所施(shī)加的力的大小取决于无人机的(de)质量。质(zhì)量与重量不是一回(huí)事儿(ér),尽(jìn)管在平常的语言中,这(zhè)两(liǎng)个词经常是指同一(yī)件(jiàn)事。重量(liàng)是由质量而来(lái)的。如果一架无人机由火箭带到(dào)
空气从基本组成上看,可以认为是(shì)由(yóu)无数独立的粒子所组成的,也(yě)就是(shì)所谓的分子,它们都处于激(jī)烈的运(yùn)动(dòng)中。气体的温度是衡量这种运动(dòng)激烈程(chéng)度的尺度。温(wēn)度低时分子的运动比温度高时要缓慢。可以说,运动的分子(zǐ)发生(shēng)碰撞对(duì)浸没在(zài)其中的物体发生了气体压力。密度是衡量在空间里分子数目多少的(de)一个尺度。
在(zài)低速空气动力学中,研究空(kōng)气的分子组成是没有必(bì)要(yào)的。无人机(jī)飞行的介(jiè)质是流体,但(dàn)这(zhè)并不是说(shuō)空气是液体。液(yè)体是(shì)一种(zhǒng)几乎(hū)不可压缩的流体,而(ér)气(qì)体是可压缩的(de)流体(tǐ)。无(wú)人机(jī)的速度远达不(bú)到要考(kǎo)虑空(kōng)气可压缩性的程度(dù)。这个结(jié)论对于全(quán)尺寸的高性(xìng)能滑翔机,超轻型、轻(qīng)型和(hé)商(shāng)用飞行器,乃至(zhì)中(zhōng)型的活(huó)塞运输机都(dōu)是成立的。
可压(yā)缩性的(de)问(wèn)题(tí)只有在处理喷气动力飞机以及螺旋桨翼(yì)尖和直升机旋翼问题(tí)时才需考虑。对于低速的无人机(jī)来说,空气可以被认为是(shì)不(bú)可压缩的流体。即便如此,密度(dù)变化的意义还是很重(chóng)要的,它跟高度和天(tiān)气有关。在高海(hǎi)拔和高温环境中,空气密度比贴近海平台和低温(wēn)环境(jìng)中的密度要小。航(háng)空器驾驶员(yuán)在高原或者热带操作飞机时会发现(xiàn)空(kōng)气密度的确会对飞机造成一(yī)些影(yǐng)响,比如,要得到(dào)相同的升力就必须(xū)飞得更(gèng)快一些。发动机的螺旋桨也受到一些负(fù)面影响(xiǎng)。空气的潮湿程(chéng)度(即湿度)也会影(yǐng)响密度。干燥(zào)的空气比潮湿的控(kòng)制(zhì)更加稠密。湿度因此也会对空气动力(lì)产(chǎn)生影响,并(bìng)且有些驾驶员认为这些影响是可以(yǐ)感(gǎn)受(shòu)到的,特别(bié)是对一些轻小的飞机来说比较明显。热空气因为比周围(wéi)的空(kōng)气(qì)更加潮湿而上升(shēng),所以滑翔机飞行员(yuán)经常会利用上升(shēng)的热(rè)气流进(jìn)行空(kōng)中的滑翔(xiáng)。
无(wú)人(rén)机空气动力学基础
速度与加速度
速度(用v表示)在标(biāo)准公(gōng)式中量纲用(yòng)的是米/秒而不是千米/小时。
要(yào)打(dǎ)破平衡,改变速(sù)度小大或飞行方向,需(xū)要力(lì)的变化来引起相(xiàng)应的加速度的变化。
牛顿第二(èr)运动定(dìng)律表明,要(yào)获得给定加速度,所(suǒ)施加的力的大小取决于无人机的(de)重量。质量与重量不是一回事(shì)儿,尽管(guǎn)在(zài)平常的语(yǔ)言中,这两个(gè)词经常是指同一(yī)件事。重量是(shì)由质量而来的。如果一架无人机由火(huǒ)箭带到火(huǒ)星上,在当地大气条件下测试的话(huà),那么在大部(bù)分时间的(de)旅程中,它是没(méi)有重量的,并且到达火星(xīng)后重量(liàng)回(huí)避地球上要轻,这是由于火星较低的重力加速度(dù)所(suǒ)造成的。但是质量在整个过(guò)程(chéng)中是不会变(biàn)化的,因为(wéi)无人机(jī)中的(de)材料,如木(mù)头、金(jīn)属、塑(sù)料(liào)等的(de)数量(liàng)是一(yī)样的。
一个具有很大质量的物体需要用(yòng)更大的力去打破它的平(píng)衡才能达到给定(dìng)的加速度,而小质量的物体所需的(de)力则小。这样一种行之有时是个优点,比如,无人机受突风影响的时候(hòu),一个小(xiǎo)质量的无(wú)人(rén)机在受到突风影响的时(shí)候可能(néng)会翻滚(gǔn),静止加速到(dào)飞行速度(dù),再从平飞(fēi)改变为爬(pá)升,同事保持转(zhuǎn)弯,还(hái)要(yào)较大的(de)力将(jiāng)无(wú)人机重(chóng)新(xīn)回到静止状(zhuàng)态。无论什么时候由外力打破平衡,比(bǐ)如(rú)加速(sù)或减速,或者(zhě)方向的(de)变化,成为惯性的物体的(de)质量都(dōu)会阻止这种变(biàn)化。
牛顿三大(dà)运动定律
所有(yǒu)的空(kōng)气动力学理论都建立(lì)在运动定律之一。这(zhè)些最初由牛顿创立的理论至今在工程领域的地(dì)位仍(réng)然不可(kě)动摇,前(qián)提是只要所讨论的物体的速度远小于光速,并且所(suǒ)研究的(de)固(gù)体和流体(tǐ)的密度和(hé)尺寸在通(tōng)常的范(fàn)围内。量子力(lì)学(xué)和相对论,虽然在(zài)高(gāo)能物理和天文学中比牛顿力学更(gèng)受青睐,但是对于理(lǐ)解无人(rén)机空气动力学来说完全没有必(bì)要(yào)掌(zhǎng)握(wò)。
牛顿第三运动定律(lǜ)表明作用力和反作(zuò)用力是大小(xiǎo)相等方向相反的。当一个飞行器静(jìng)止在地面上时,它的重力方(fāng)向(xiàng)向下,与(yǔ)由地面施加(jiā)的大小相等方向相反的反作用力恰好构(gòu)成平衡。
任何(hé)不平衡的(de)力都会(huì)产生加速度。一(yī)个在地面上的无人机,起飞前可能被拉住,但发动机是开着的。发动机的推理与(yǔ)拉力(lì)方向(xiàng)相反,大小相等,所以平衡。一旦放开,无人机就开始加速(sù)。他一开始(shǐ)运(yùn)动,空(kōng)气阻力和地面摩擦(cā)力(lì)也(yě)就随之而来,而且无人机速(sù)度越快,这些阻力也就越(yuè)大(dà)。
在水平飞行中(zhōng),垂直向下的重力由一(yī)个垂直向上的反作用力平(píng)衡(héng)着。在一般的飞行器中(zhōng),这个反作用力(lì)来(lái)自(zì)于(yú)机翼和(hé)可能的其他表面,但是(shì)也有(yǒu)可能以其(qí)他(tā)形式的(de)力来提供。直升机靠(kào)它的旋翼支撑,悬停的“鹞”式飞(fēi)机(jī)靠推力来支持。如果向上的反(fǎn)作用(yòng)力比(bǐ)重力小,飞行器(qì)就会向(xiàng)下加速(sù)。要(yào)停止这个加速运(yùn)动,就(jiù)必须重新产(chǎn)生反作用(yòng)力来平衡重力。这可以(yǐ)带来平衡但是不会阻止下降(jiàng)。要(yào)做到(dào)不再下降就必须施加更(gèng)大的力使其减速。所有的加速或减速都(dōu)会(huì)由飞行器的质量来反抗,也就是(shì)惯性。
力的平(píng)衡
如果一(yī)个物体处于平衡状态,那么它就有保持这种平(píng)衡状态的(de)趋势。所有施加(jiā)在平(píng)衡物体上的外力(lì)都是平衡(héng)的(de),不会(huì)有任(rèn)何(hé)改变其状态或往(wǎng)任何方向加速或减速的趋势存在。这些很容易理解(jiě),只要看看(kàn)立在地面上的东西,比(bǐ)如家具(jù)或者放(fàng)在(zài)架(jià)子上火桌(zhuō)面上的飞机模型(xíng)就知道了,它们不会移动。如果没有外界的干扰,比(bǐ)如(rú)说(shuō)以(yǐ)某种方式使其加速,这些(xiē)物(wù)体会一直保持其状态。
移动的物体也可能处于平衡状态(tài)。一个在(zài)静止大气中做水平直线飞行的飞机(jī),它(tā)既不加速也不减(jiǎn)速,还不转弯,这时它就处于平衡状(zhuàng)态(tài),并且倾向于做(zuò)持续(xù)稳定(dìng)飞行(háng)。同样道理,如果这个飞行器以恒定的速(sù)度直线爬(pá)升,那(nà)么它(tā)也处(chù)于平(píng)衡状态。
即使高度增加(jiā)了,它也(yě)仍然处于平衡(héng)状态。如(rú)果没有(yǒu)新的外力施加在它上面(miàn),它将(jiāng)沿着其爬升方向稳定地飞行。即使爬升是(shì)完(wán)全垂直的,只要(yào)它的速(sù)度保持稳定(dìng),并且方(fāng)向不发生变化,它(tā)仍然是平衡的。同理(lǐ),当(dāng)它以固定的速度俯冲时也是出于平衡状态。平(píng)衡是事物一种非常普遍的状态(tài),不稳定运动状态与稳定运动或(huò)者静止状态的情况(kuàng)的不同(tóng)之处就是(shì)多了(le)加速度。
力的分解的原则应用非常广泛(fàn)。一(yī)个水平飞(fēi)行的受(shòu)力飞行(háng)器(qì)受(shòu)4个互成指教的力作用:推(tuī)理和反作用力阻力(lì),重力和(hé)反作用力(lì)升力。这(zhè)是由大量的小力的合成和分解(jiě)得(dé)到的,其中每个小(xiǎo)力都会对合力有贡献。

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