空氣動力學與飛行原理旋翼空氣動力學旋翼無人機指無人直升機和多旋翼無人機。與固定翼無人機不同，旋翼無人機中旋翼既是升力面，又是操縱面，同時提供前飛動力。雖然多旋翼無人機和無人直升機在結構形式、飛行原理、操縱原理等方面完全不同，但從產生升力的本質上來說，多旋翼無人機和無人直升機有很多相近的地方。多旋翼無人機主要依靠每個旋翼上的螺旋槳葉片在旋轉過程中產生升力，無人直升機主要依靠主旋翼上的槳葉在旋轉過程中產生升力。旋轉葉片是這兩類無人機產生升力的重要部件。旋翼空氣動力學（a）多旋翼無人機旋翼及螺旋槳旋翼槳葉除了隨機體一起作直線或曲線外，還要繞旋翼軸旋轉，因此槳葉空氣動力現象比機翼復雜很多。無人直升機旋翼既是升力面，又是操縱面，因此比多旋翼螺旋槳運動更加復雜，涵蓋了螺旋槳產生空氣動力的典型原因。下面主要以無人直升機的翼型和旋翼說明其空氣動力的主要特性。旋翼空氣動力學（b）無人直升機旋翼及槳葉一、二、翼型旋翼目錄頁壹旋翼翼型定義與固定翼翼型相同，指槳葉在展向某個截面的剖面形狀。與固定翼無人機機翼不同的是，旋翼槳葉有其特殊的翼型形狀，并且翼型形狀和扭轉角沿展向位置不同。早期直升機槳葉的翼型為對稱翼型，如NACA4位數翼型族。這種翼型在變距過程中，氣動中心保持不變，能夠在旋轉中保持穩定，并且操縱載荷最小。現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，但可以通過扭轉角的修正來產生和對稱翼型相似的性能。這種翼型升力特性更好，阻力發散馬赫數有明顯提高。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，其空氣動力產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生原因。升力計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，也包含槳葉旋轉速度。且槳葉每個剖面旋轉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，同時影響每個時刻迎角大小。翼型對這兩點解釋如下：假設無人直升機作垂直運動，翼型速度由兩部分組成。一是向上的垂直運動的空氣流動，在給定的飛行條件下該氣流保持不變。另一個是槳葉旋轉引起的周向氣流流動，它的大小為ωR，每個展向位置速度均不同，方向與槳葉旋轉運動方向相反。如圖所示。旋翼在前飛運動中氣流流速也為飛行速度與旋轉速度的合成，大小和方向時刻發生改變。懸停中氣流速度為旋轉速度，大小不變，方向時刻發生變化。旋翼旋轉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速有關，導致迎角與不旋轉的機翼的迎角有所不同。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平面的夾角，這個角度稱為變距角。綜合這兩方面因素，翼型的迎角在旋轉運動過程中時刻發生變化。迎角與變距角的概念也不相同。變距角和迎角的關系壹翼型一、二、翼型旋翼目錄貳旋翼同時具有固定翼無人機的升力作用、動力作用和操縱作用。其主要作用如下：（1）升力作用：通過翼型產生升力，旋翼產生向上的升力用來克服直升機的重力，維持空中飛行。（2）動力作用：通過揮舞運動，改變槳尖平面方向，旋翼產生向前的水平分力克服空氣阻力使直升機前進。（3）操縱作用：通過變距操作，旋翼產生其他分力及力矩對直升機進行控制和機動飛行。旋翼槳葉空氣動力特性分為三個方面，一是升力方面，最大升力系數要高，這樣能延遲在后行工作區產生的失速。二是阻力方面，延緩前行槳葉的失速，可以降低氣動阻力。第三個是力矩方面，為了降低交變載荷，氣動力矩系數要小。旋翼貳增相比較固定翼，旋翼槳葉空氣流動現象有如下特點：（一）速度、迎角、空氣動力沿翼根到翼尖變化槳葉旋轉會導致在不同的位置獲得不同的相對來流速度，這樣會最終導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，槳葉在制造的時候通常沿展向會有一個不同的初始攻角。一般在靠近根部的區域槳葉的截面攻角會大一些，在靠近尖部的區域截面攻角較小。貳攻角沿槳葉展向分布規律旋翼槳葉做旋轉運動，槳葉上的速度為：V=Ωr其中，Ω為槳葉旋轉速度，r為槳葉的展向位置。通過此式可以得出，在懸停狀態下，越靠近槳尖，速度越大。貳旋翼相對風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，通常來說氣動力應該隨速度的增加而增大，但翼尖速度可能達到亞音速，跨音速，甚至超音速，這樣會導致槳尖產生失速，導致槳尖升力損失，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，旋翼槳葉的主要工作區包括前行槳葉工作區、后行槳葉工作區以及懸停狀態，由于合成速度的影響，前行槳葉工作區域的馬赫數大。而后行槳葉工作區域的馬赫數小。在懸停狀態，槳葉旋轉一周，槳葉上的氣動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，使翼根區域處于失速狀態。當旋翼前飛狀態時，由于前飛速度的存在，導致槳盤在旋轉過程中整個槳盤氣動力不再對稱。我們將槳盤分為兩個區域，槳葉前進區域和槳葉后退區域。在槳葉前進區域由于旋轉速度和前進速度的疊加，導致槳葉相對來流速度增加，將增大前進區域槳葉上的氣動力。在后退區域中由于槳葉后退速度和前飛速度相減，導致槳葉上的相對來流速度減小。尤其在后退區域的槳根處，由于前飛速度要大于根部速度，將導致在根部出現反流區。貳旋翼懸停時槳葉氣動區域分布前飛時刻槳葉氣流區域分布（二）槳根的反流區由于在后退區域，槳葉旋轉速度和前飛速度相減，會導致后退區域的升力損失，會造成槳盤升力的不對稱，此時為了保持升力對稱，彌補升力損失，需要給槳葉一個較大的變距操縱，此時翼尖速度較大且處于較大攻角之下，則會出現翼尖失速情況。當直升機懸停靠近地面時，將會產生明顯的地效效應。地效效應會使直升機誘導阻力減小，同時能獲得比空中飛行更高升阻比的流體力學效應:當運動的直升機距地面(或水面)很近時，整個槳盤的上下壓力差增大，升力會陡然增加。貳旋翼地面效應（三）槳尖失速、槳尖渦和地面效應懸停時槳尖平面垂直于槳軸，旋翼旋轉所產生的升力等于機身重力。懸停時由于槳葉在展向對應處的槳葉的來流速度不同，會導致在展向力的分布相應不同。另外由于槳葉受周期力的作用，導致槳尖在旋轉時將同時繞槳榖做揮舞運動。懸停時槳葉揮舞運動壹翼型（四）旋翼槳葉揮舞運動1、展弦比對機翼升力的影響有哪些？2、在展弦比一定的情況下，怎樣對翼稍進行處理從而減小誘導阻力？3、旋翼同時具有固定翼無人機的升力作用、動力作用和操縱作用。其主要作用有哪些？4、相比較固定翼，旋翼槳葉空氣流動現象有哪些特點？課后練習空氣動力學與飛行原理牛頓定律與無人機受力一、二、牛頓定律無人機受力目錄頁壹在考慮固定翼無人機的飛行穩定性特性時，需要將其當成剛體，除了具有三個平動的自由度，還具有繞機體軸轉動的三個轉動自由度。如果評價其飛行性能，則可以將無人機作為質點處理，只有三個平動自由度，此時牛頓定律可以解釋無人機的多數飛行性能。牛頓第一運動定律：在不受任何外力或所受外力之和為零的狀態下，物體總保持勻速直線運動狀態或是靜止狀態。例如無人機的定直平飛狀態的飛行性能就可以利用牛頓第一定律來分析。在定直平飛狀態無人機所受的合外力為零。即升力等于重力，推力等于阻力。此時無人機保持定直平飛狀態。圖為無人機定直平飛所受外力示意圖。牛頓定律壹無人機定直平飛所受外力示意圖牛頓第二運動定律：數學形式為即，物體所受到的合外力等于質量乘以加速度。例如無人機的水平加減速性能可以采用該定理進行解釋。在水平加減速時，垂直方向上的升力等于重力，水平方向上發動機克服阻力后的剩余推力提供無人機水平加速特性。從該公式可以看出，相同質量情況下，發動機推力越大，水平加減速性能越好。相同發動機推力情況下，質量越小，加減速性能越好。牛頓第三運動定律：兩個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、牛頓定律無人機受力目錄貳無人機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力的分量，主要由機翼產生。推力或拉力是維持固定翼無人機飛行的動力（在滑翔機中沒有）。重力是具有質量的物體在地球引力作用下產生的，方向始終豎直向下。維持固定翼無人機飛行的基本原理是升力克服重力，推力克服阻力。無人機受力無人機飛行主要受力示意圖貳貳

上一章節已經講過升力產生原理和影響因素。作用于無人機的力若剛好平衡，此時無人機保持原來的狀態，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生加速度，如沿機體軸的加速運動及繞機體軸的轉動。