無人機技術基礎單元3 無人機飛行原理2重點掌握空氣動力學基礎、飛行穩定性難點掌握飛行運動方式和姿態3.1空氣動力學基礎3.1.1大氣層分層隨著大氣層高度的變化，大氣的溫度、氣體流動規律等參數也相應改變，根據參數的特點，可以將大氣層可分為了五層：對流層、平流層、中間層、熱層、散逸層（外大氣層）33.1

空氣動力學基礎對流層是地球大氣層中最低的一層，隨著緯度的不同，高度也不同，其下界與地面相接，上界高度隨地理緯度和季節而變化。通常情況下低緯度地區的高度為16～18km，中緯度高度為10～12km，高緯度為8～9km。對流層中氣溫隨高度增加而降低，空氣的對流運動極為明顯，空氣溫度和濕度的水平分布也很不均勻，在對流層空氣的流動性非常大。大氣層分層對流層對流層中集中了全部大氣約75%的質量以及90%以上的水汽，是天氣變化最復雜的大氣分層，對無人機的飛行影響最為強烈。在對流層內，按氣流和氣象分布的特點，又分為下層、中層、上層、過渡層4個層次。43.1

空氣動力學基礎①對流層下層：又稱擾動層或摩擦層。它的高度與地表性質、季節等因素有關，自地面開始，頂部高度為1～2km。在對流層的下層中，氣流受地面摩擦作用很大，風速通常隨高度增加而增大。在對流層下層內，氣溫的日變化也極為明顯，晝夜溫差可達10～40℃。②對流層中層：它的底界即下層的層頂，上界高度約為6km，這一層受地表的影響遠小于摩擦層。大氣中云和降水現象大都發生在這一層內。這一層的上部，氣壓通常只有地面的一半，在飛行時需要使用氧氣。③對流層上層：它的范圍從6km高度伸展到對流層的頂部。這一層的氣溫常年都在0℃以下，水汽含量很少。④對流層過渡層：在對流層與平流層之間，還有一層厚度數百米到2km的過渡層。對垂直氣流有很大的阻擋作用。上升的水汽、塵粒等多聚集在其下，能見度往往較差。1.對流層53.1

空氣動力學基礎2．平流層平流層位于對流層頂之上，頂界伸展到50～55km，在中間層之下。在平流層內，隨著高度的增加氣溫最初保持不變或微有上升，到25～30km以上氣溫升高較快，到了平流層頂氣溫約升至-3℃。平流層的這種氣溫分布特征同它受地面影響小和大氣中的臭氧（臭氧能直接吸收太陽輻射）有關。平流層的下部也稱為同溫層。在平流層中，空氣的垂直運動遠比對流層弱，水汽和塵粒含量也較少，因而氣流比較平緩，能見度較佳。對于飛行來說，平流層中氣流平穩、空氣阻力小，這是有利的一面；但因平流層空氣稀薄，飛行的穩定性和操縱性惡化，這是不利的一面。高性能的軍用無人機都能在平流層中飛行。隨著航空器飛行上限的日益增高和航空軍事技術的發展，對平流層的研究越來越多、越來越深入。63.1

空氣動力學基礎中間層從平流層頂伸展到80

km

高度。這一層的特點是：氣溫隨高度增加而下降，空氣有相當強烈的垂直運動。在這一層的頂部氣溫可低至-113～-143-3℃。3.1.2標準大氣和氣象要素3．中間層4．熱層熱層的范圍是從中間層頂伸展到約800km高度。這一層的空氣密度很小，聲波也難以傳播。熱層的一個特征是氣溫隨高度增加而上升。另一個重要特征是空氣處于高度電離狀態。熱層又在電離層范圍內。有時，在極區常可見到光彩奪目的極光。電離層的變化會影響飛機器的無線電通信。73.1

空氣動力學基礎散逸層又稱逃逸層、外大氣層，是地球大氣的最外層，位于熱層之上。那里的空氣極其稀薄，同時又遠離地面，受地球的引力作用較小，因而大氣不斷地向星際空間逃逸。3.1.2標準大氣和氣象要素5．散逸層83.1

空氣動力學基礎3.1.2

低速空氣動力特性所謂低速氣流，是指流動速度小于0.3倍音速的氣流。所謂氣流特性，是指流動中的空氣其壓強、密度、溫度以及流管粗細同氣流速度之間相互變化的關系。93.1

空氣動力學基礎流體氣體和液體統稱為流體。氣體和液體的共同特性是不能保持一定形狀，具有流動性。氣體和液體的不同點表現在液體具有一定的體積，一般情況下不可壓縮，而氣體一般情況下可壓縮。流場流體所占據的空間稱為流場，是表示流體特性的物理量。流體特性包括速度、溫度、壓強、密度等，也稱為流體的運動參數。流場是分布流體運動參數的場。流動流體的流動分為兩種類型：根據運動參數隨時間的變化，可以將流動分為定常流動與非定常流動。如果流場中流體的運動參數不僅隨位置改變而改變，并且隨時間改變而改變，這樣的流動稱為非定常流動。如果流場中流體的運動參數只隨位置改變而改變，而與時間無關，這樣的流動稱為定常流動。低速空氣動力特性流體及相關物理量103.1

空氣動力學基礎（4）流線：流線是流場中某一瞬間的一條空間曲線，在該曲線的任意點上，流體質點所具有的速度方向與曲線在該點切線方向重合。低速空氣動力特性流體及相關物理量流線具有以下特征：①非定常流動時，由于流場中流速隨時間改變，經過同一點的流線的空間方向和形狀是隨時間改變的。②定常流動時，流場中各點流速不隨時間改變，所以同一點的流線始終保持不變，且流線與跡線（流場中流體質點在一段時間內運動的軌跡）重合。流線不能相交，也不能折轉。因為空間每一點只能有一個速度方向，所以不能有兩條流線同時通過同一點。流場中的每一點都有流線通過。由這些流線構成的流場的總體，稱為流線譜，簡稱：流譜。113.1

空氣動力學基礎（5）流管與流束在流場中任意畫一封閉曲線，在該曲線上每一點做流線，由這些流線所圍成的管狀曲面稱為流管。由于流管表面由流線所圍成，而流線不能相交，因此流體不能穿出或穿入流管表面。在流體穩定流動時流管就像一只真實的管子。充滿在流管內的流體稱為流束。低速空氣動力特性流體及相關物理量當飛機在原來靜止的空氣中勻速直線飛行時，將引起飛機周圍的空氣運動，同時空氣將給飛機反作用力。計算作用力時，可以使用兩個坐標系：一個是靜止坐標系，直接將牛頓定律用于空氣對飛機的作用力；另一個是動坐標系，飛行中的飛機對空氣的作用力。這兩個坐標系產生的作用力是相對的，而用這兩個坐標系求得的飛機所受的力是完全相同的。這就是運動轉換原理。利用運動轉換原理，可以大為簡化空氣動力學的研究過程。122.運動轉換原理3.1

空氣動力學基礎質量守恒定律是自然界基本的定律之一，它說明物質既不會消失，也不會憑空增加。如果把這個定律應用在流體的流動上，就可以得出這樣的結論：當流體低速、穩定、連續不斷地流動時，在流管中的任意一部分流體都不能中斷或積聚，因此在同一時間內，流進流管任何一個截面的流體質量和從該流管另一個截面流出的流體質量應當相等，這就是流體的連續性定理，如圖所示。3.1.2

低速空氣動力特性3.連續性定理米哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫(1711.11.19－1765.4.15)，俄國百科全書式的科學家、語言學家、哲學家和詩人，被譽為俄國科學史上的彼得大帝。提出了“質量守恒定律”（物質不滅定律）的雛形133.1

空氣動力學基礎3.1.2

低速空氣動力特性3.連續性定理-1 中，設截面，流體密度為

，則單位時間內流進截14設截面Ⅰ的面積為A1，流速為v1，流體密度為

，則單位時間內流進截面Ⅰ的流體質量為m1

1

1F1同理,設截面Ⅱ的面積為A2，流速為v2，流體密度為

，則單位時間內流進該截面的流體質量為m2

2

2

F

2根據質量守恒定律m1

m2

即

1v1F1

2v2

F2由于截面Ⅰ和截面Ⅱ是任意選取的，所以可以認為，單位時間內流過任何截面的流體質量都是相等的，故得

vF

常數3.1

空氣動力學基礎3.1.2

低速空氣動力特性3.連續性定理-1 中，設截面，流體密度為

，則單位時間內流進截式中，v—流管截面上的流體速度，單位為m/s；A—截面的面積，單位為㎡。如果在流動過程中,流體密度不變,即，則方可簡化為：

vF

常數稱為連續方程。進一步可寫成：v1

F2v2

F1153.1

空氣動力學基礎3.1.2

低速空氣動力特性3.連續性定理它說明了流體流動速度和流管截面積之間的關系。由此看出，當低速定常流動時，流體速度的大小與流管的截面積成反比，這就是連續性定理。也可以粗略的說，截面積小的地方流速快，而截面積大的地方則流速慢。流體流動速度的快慢，可用流管中流線的疏密程度來表示，如圖所示。流線密的地方表示流管細，流體速度快，反之就慢。需要指出的是，連續性定理只適應于低速（流速v＜0.3Ma），即認為密度不變，不適于亞音速，更不適合于超音速。16173.1

空氣動力學基礎能量守恒定律也是自然界基本定律：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到其他物體，而能量的總量保持不變。伯努利定理是能量守恒定律在空氣動力學中的具體應用。同連續性定理一樣，伯努利定理的應用也是有條件的，它只適應于低速，即認為密度不變，不適應于高速；并且要求流場中氣體不與外界發生能量交換。連續性定理和伯努利定理是氣體動力學中兩個最基本的定理，它們說明了流管截面積、氣體速度和壓力這三者之間的關系。綜合這兩個定理，我們可以得出如下結論：低速定常流動的流體，流過的截面積大的地方，速度小，壓強大；而截面積小的地方，流速大，壓強小。這一結論是解釋機翼上空氣動力產生的根據。3.1.2

低速空氣動力特性4.伯努利定理3.1

空氣動力學基礎3.1.3

高速空氣動力特性自從噴氣式飛機出現以后，飛行速度已從亞音速發展到超音速。高速飛行中，飛機的空氣動力特性與低速相比發生了顯著的變化。飛機的阻力會成倍地甚至成幾十倍地急劇增長；機翼的升力大小會發生忽大忽小的變換；機翼的壓力中心會前后移動。高速飛行中出現這些新的特點是因為隨著飛行速度的增加，其氣流特性發生了顯著的變化。因而，高速飛機在空氣動力外形上和構造上都有許多新的特點。空氣從低速發展到高速流動時，由于空氣呈現出強烈的壓縮或膨脹現象，壓力、密度和溫度發生了顯著的變化，氣流特性就出現一些不同于低速情況的質的差別。隨著氣流速度劇烈增加，會出現以下現象：流管不是收斂而是擴散，且伴隨膨脹波的產生；產生壓力突然升高的激波現象。高速氣流之所以出現上述變化，其根本原因是空氣具有壓縮性。183.1

空氣動力學基礎空氣由于壓力、溫度等條件改變而引起密度變化的這種性質，稱為空氣壓縮性，也稱為空氣密度可變性。空氣密度可以改變，其內因是空氣分子有熱運動（即分子作無規則運動），分子與分子之間有一定距離。當外界壓力溫度等條件改變時，通過空氣分子的熱運動和分子間距離的變化，空氣的體積即發生變化，空氣的密度也會發生相應的變化。空氣流過飛機時，隨著壓力的變化，飛機周圍的密度也要隨之變化。例如，飛行中氣流在機翼前緣受阻，壓力升高，引起空氣壓縮，密度增大；在機翼上表面，流速加快，壓力減小，引起空氣膨脹，密度變小。飛機的飛行速度不同，其空氣流經飛機各處時，速度的變化量不同，壓力變化量不同，引起密度的變化量也不同。高速空氣動力特性高速流動時空氣密度的變化193.1

空氣動力學基礎無論在高速或低速飛行中，正是因為空氣流過飛機的速度發生了變化，引起作用于飛機的空氣壓力發生變化，才使得空氣動力發生變化。但在低速飛行中，盡管流速和壓力發生了變化，但空氣的密度和溫度卻都基本保持不變，所以研究飛機在低速飛行中的空氣動力的變化規律，不需要考慮空氣在壓縮條件下的流速與壓力之間的變化關系。但在高速飛行中，隨著流速的加快，空氣的壓縮與膨脹的變換越來越顯著，流速的改變，不僅引起空氣壓力發生變化，而且引起密度和溫度也發生明顯的變化。這些因素對飛機空氣動力必然發生新的影響。3.1.2

高速空氣動力特性2.高速氣流的伯努利定理203.2動態飛行動力學任何航空器都必須產生大于自身重力的升力才能升空飛行，這是航空器飛行的基本原理。航空器分為輕于空氣的航空器和重于空氣的航空器兩大類：2.

重于空氣的航空器如飛機等航空器，其總密度大于空氣密度，是靠什么力量飛上天空的呢？這一類航空器一般具有機翼，機翼大概可以分為固定翼和旋翼兩種。1.

輕于空氣的航空器如氣球、飛艇等航空器，其主要部分是可以充氣的氣囊，在氣囊中間充入比空氣密度小的氣體（如熱空氣、氫氣等），只要航空器總密度小于空氣密度，它可以依靠空氣的靜浮力升上空中。213.3

飛行運動方式和姿態如果飛行的飛機處于傾斜狀態，那么升力作用在傾斜的方向上，總升力可以分解為兩個分力，如圖所示，其中一個分力作用在垂直方向，稱為垂直分量，垂直升力分量可以與重力抵消，另一個分力作用在水平方向稱為水平分量。轉彎水平轉彎（正常轉彎狀態）223.3

飛行運動方式和姿態側滑轉彎分為內側滑轉彎和外側滑轉彎。內側滑轉彎時，飛機轉彎的快慢與傾斜角不對應，飛機會偏航到轉彎航跡的內側。飛機以一定的角速度轉彎而傾斜過多時，升力的水平分量大于離心力。升力的水平分量和離心力的平衡通過降低傾斜度，降低角速度或者二者的結合才能建立。外側滑轉彎是由于離心力比升力的水平分量還大，把飛機向轉彎軌跡的外側拉，表明對于該傾斜角轉彎太快了。糾正外側滑轉彎，需要降低角速度，增加傾斜角，或者二者結合。如果要維持一個給定的角速度，那么傾斜角必須隨空速變化。在高速飛機上，這一點特別重要。例如，在飛行速度為400mph時，飛機必須傾斜大約44°才能保持標準的角速度(3°/s)。3.3.1轉彎2.側滑轉彎（非正常轉彎狀態）233.3

飛行運動方式和姿態3.3.2爬升實際飛行中，處于穩定的正常爬升狀態的機翼升力和相同空速時平直飛行的升力是一樣的。盡管爬升前后的飛行航跡變化了，但當爬升穩定后，對應于上升航跡的機翼迎角又會恢復到與平飛相同的值。只是在轉換過程中，會有短暫的變化，如圖所示為飛機三個爬升階段。243.3

飛行運動方式和姿態3.3.3下降這里的討論假定下降時的功率和平直飛行時的功率一樣。當升降舵推桿,飛機頭向下傾斜時,迎角降低,結果是機翼升力降低。總升力和迎角的降低是短暫的,發生在航跡變成向下時。航跡向下的變化是由于迎角降低時升力暫時小于飛機的重量。升力和重力的這個不平衡導致飛機從平直航跡開始下降。當航跡處于穩定下降時,機翼的迎角再次獲得原來的大小,升力和重力會再次平衡。從下降開始到穩定狀態,空速通常增加。這是因為重力的一個分量現在沿航跡向前作用,類似于爬升中的向后作用。總體效果相當于動力增加,然后導致空速比平飛時增加。為使下降時的空速和平飛時相同,很顯然,功率必定降低。重力的分量沿航跡向前作用將隨俯角的增加而增加,相反,俯角減小時重力向前的分量也減小。因此,為保持空速和巡航時一樣,下降時要求降低的功率大小通過下降坡度來確定。253.3

飛行運動方式和姿態3.3.4飛機的主要飛行性能最大平飛速度巡航速度爬升率升限航程及續航時間飛行半徑263.3

飛行運動方式和姿態273.3.4飛機的主要飛行性能飛機的最大平飛速度是在發動機最大功率是飛機所獲得的平飛速度。影響飛機最大平飛速度的主要原因是發動機的推力和飛機的阻力。由于發動機的推力、飛機的阻力與高度有關，所以在說明最大平飛速度時，要明確是在什么高度上達到的。通常飛機不用最大平飛速度長時間飛行，因為這樣飛行會造成耗油太多，而且容易損壞發動機，縮短飛機使用壽命。除在特殊情況下，飛機一般以比較省油的巡航速度飛行。對于某些特殊飛機（如殲擊機），最大平飛速度是非常重要重要的性能指標，其單位是km/h。1.最大平飛速度巡航速度是指發動機每千米消耗燃油最小的情況下的飛行速度。這時飛機的飛行最為經濟，航程也是最遠，發動機也不大“吃力”。對于某些飛機（如運輸機），巡航速度是一項重要的指標，其單位也是km/h。2．巡航速度3.3

飛行運動方式和姿態28飛機的爬升率是指單位時間內飛機上升的高度，其單位是m/min或m/s，爬升率大，說明飛機爬升快，上升到預定高度所需的時間短。爬升率是殲擊機的翼型重要性能。爬升率與飛行高度有關。隨著飛行高度的增大，空氣密度減小，發動機的推力減小，所以爬升率隨著高度的增大而減小。一般爬升率在高度為海平面高度時。3.3.4飛機的主要飛行性能3．爬升率飛機上升所能達到的最大高度，叫做升限。升限對戰斗機來說是一項重要的性能。殲擊機比敵機高，就可以居高臨下，取得主動權。

飛機的升限有兩種。一種叫做理論升限，他指升限率等于零的高度，沒什么實際意義；常用的是實際升限。所謂實用升限就是飛機的爬升率等于5m/s是的高度。此外還有動力升限，它是靠動能向上沖而取得最大高度的。一般創紀錄的升限是指動力升限。4．升限293.3

飛行運動方式和姿態航程是指飛機一次加油所能飛越的最大距離。以巡航速度飛行可取得最大航程。增大航程的主要辦法就是多帶燃料、減小發動機的燃料消耗和增大升阻比k。航程遠，表示飛機的活動范圍大。對軍用飛機來說，可以直接威脅敵人的戰略后方，遠程作戰能力強；對民用客機和運輸機來說，可以把客貨運到更遠的地方，而減少中途停留加油的次數。續航時間是指飛機一次加油，在空中所能保持飛行的時間。這一性能對偵察機、海上巡邏機是很重要的；殲擊機的續航時間長，也有利于對敵作戰，增加續航時間的措施與增加航程的措施類似。現代作戰飛機多都掛有副油箱，就是為了多帶如燃料以增大航程和航時。某些飛機為了增大航程、減小起飛時的載油量，以縮短滑跑距離或增加其他載重，可用空中加油的辦法，在飛行途中由加油機補給燃料。3.3.4飛機的主要飛行性能5．航程及續航時間飛機從某一機場起飛，執行任務后在返回原機場，機場至該空域的水平距離就是飛行半徑。理論上講飛行半徑應該是航程的一半。但因飛機在最遠處要執行任務，消耗燃料，縮短直線航程，故一般規定飛行半徑等于航程的25%～40%。6．飛行半徑3.3

飛行運動方式和姿態飛機從靜止滑跑離開地面，并上升到一定高度的加速運動過程叫做起飛。飛機離地升空需要足夠的升力；要獲得足夠的升力，就需要通過加速滑跑來增加飛機的速度，因此飛機的起飛時一個不斷增加速度和高度的運動過程。現代噴氣式飛機的起飛過程分為兩個階段：a、地面加速滑跑階段；b、加速上升到安全階段。飛行科目起飛飛機是著陸與起飛相反。是一種減速運動。一般可分為五個階段：下滑、拉平、平飛減速、飄落接地和著陸滑跑。這五個階段和起來的總距離叫做著陸距離。降落之前，飛機大約在300m左右的高度上飛行員放下起落架，而在200m的高空上放下襟翼，同時發動機轉速轉到最小轉速，并使飛機轉入下滑狀態。在接近地面6~7m時，駕駛員向后拉駕駛桿拉平飛機，使它轉入平飛狀態，開始轉入“平飛減速”階段，在這一階段，飛機的迎角不斷增大，C也增大到最大，使升力增大而同時使速度降低，以保持平飛。2．著陸303.3

飛行運動方式和姿態飛機按一定的軌跡作高度、速度和方向燈不斷變化的飛行叫做機動飛行。它是殲擊機空戰技術的基礎。飛機機動飛行的性能，是評價軍用飛機戰斗性能的重要方面，殲擊機尤其需要保證良好的機動性3.3.5

飛行科目3．機動飛行一架飛行器要維持飛行就必須是穩定的。所謂飛機的穩定性，是指在飛行過程中，如果飛機受到某種擾動而偏離原來的平衡狀態，在擾動消失后，不經飛行員操縱，飛機能自動恢復到原來平衡狀態的特性。如果能恢復，則說明飛機是穩定的；如果不能恢復或者更加偏離原來的平衡狀態，則說明飛機是不穩定的。飛機在空中飛行，可以產生俯仰運動、偏航運動和滾轉運動，飛機繞橫軸OZ的運動為俯仰運動，繞立軸OY的運動為偏航運動，繞縱軸OX的運動為滾轉運動，如圖所示。根據飛機繞機體坐標軸的運動形式，飛機飛行時的穩定性可分為縱向穩定性、航向穩定性和橫向穩定性。313.4

飛行穩定