国际标准(zhǔn)大气
速度(用v表示)在标准公式中量纲用的是米(mǐ)/秒而不是千米/小时。
要打破平(píng)衡,改变速度大小或飞行方向,需要力(lì)的(de)变化来引起相应的加速度的变化。
牛顿第二运动定律表明(míng),要获得给定加速(sù)度,所施加的力(lì)的大小(xiǎo)取决于无人(rén)机的质量。质量与重量不是一(yī)回事儿,尽管(guǎn)在(zài)平常的语(yǔ)言中,这两个词经常是(shì)指(zhǐ)同一件事。重(chóng)量(liàng)是由质(zhì)量而来的。如(rú)果一架无人机由火箭带(dài)到
空气从基本组(zǔ)成上看,可以认为是(shì)由无(wú)数独立的粒子所(suǒ)组成的,也就是所谓的(de)分子,它们都处于激烈的运动中。气体(tǐ)的温度是衡量这种运动激烈(liè)程度的尺度。温度低时(shí)分子的(de)运动(dòng)比温(wēn)度高时要缓慢。可以说,运动的分子发生碰(pèng)撞对浸(jìn)没(méi)在其(qí)中的物体发生(shēng)了气体压力。密度是衡量(liàng)在(zài)空(kōng)间里分子数目(mù)多(duō)少的一个(gè)尺度(dù)。
在低(dī)速空气动力学中,研究空气(qì)的分(fèn)子组成是没有(yǒu)必要的。无人机飞行的介质是流体,但这并不是说空气是液体。液体是一种几乎不可压缩的流体,而气体是可压缩的流体。无人(rén)机(jī)的速度远(yuǎn)达不到(dào)要考虑空(kōng)气可压缩性的程度。这个结论对于全尺寸的高(gāo)性(xìng)能(néng)滑翔机,超轻型、轻型和商用飞行器,乃至(zhì)中型的活塞运输机(jī)都是成立的。
可压缩(suō)性的问题只有在处理喷气动力飞机以及螺旋桨(jiǎng)翼尖和直升(shēng)机旋翼问题时才需(xū)考虑。对(duì)于(yú)低速的(de)无人(rén)机(jī)来说,空气可以被认为是不可压(yā)缩的流体。即(jí)便如此,密度变化(huà)的意(yì)义还(hái)是很重要的,它跟高度和天气有关。在高海拔和高(gāo)温环(huán)境(jìng)中,空气密度比贴近海平台和(hé)低温环(huán)境中的(de)密度要小。航空(kōng)器驾驶员(yuán)在高原或者热带操作(zuò)飞机时会发现空气密度的确会对飞机造(zào)成一些影(yǐng)响,比如(rú),要(yào)得到(dào)相(xiàng)同的(de)升力(lì)就必须飞得更快一些。发(fā)动机(jī)的(de)螺旋桨也(yě)受(shòu)到一(yī)些负面影响。空气的潮湿程(chéng)度(即(jí)湿度(dù))也会影响密度。干燥(zào)的(de)空气比潮(cháo)湿的控制更加稠密。湿度因此也会对(duì)空气动(dòng)力产(chǎn)生影响,并且有(yǒu)些驾驶员认为(wéi)这(zhè)些(xiē)影(yǐng)响(xiǎng)是可以感受到(dào)的,特别是对(duì)一些轻小的飞机(jī)来(lái)说比较明显。热空气因为比(bǐ)周围(wéi)的空(kōng)气更加潮湿而上(shàng)升,所(suǒ)以滑(huá)翔(xiáng)机飞行员经常会利用上(shàng)升的热气(qì)流进行空中的(de)滑翔。
无人机空气动(dòng)力学基础
速度与加速(sù)度
速度(用(yòng)v表(biǎo)示)在标准公式中量纲用的(de)是米/秒(miǎo)而不是千米/小时。
要打(dǎ)破(pò)平衡,改变速度(dù)小大或飞行方向,需要力(lì)的变化来引起相(xiàng)应(yīng)的加速度(dù)的变化。
牛(niú)顿第二运(yùn)动定(dìng)律(lǜ)表明,要(yào)获得给定加速度,所施(shī)加的力的大小取决于无(wú)人机(jī)的重量。质量与重(chóng)量不是一回事儿,尽管(guǎn)在(zài)平(píng)常的语言中,这(zhè)两个词经常是指同一件(jiàn)事。重(chóng)量(liàng)是由质量而来(lái)的。如果一架无人机(jī)由火箭带到(dào)火星上,在当(dāng)地(dì)大气(qì)条件下测试的(de)话,那(nà)么在大(dà)部分时间的旅程中,它是没有重量的(de),并且到达火星(xīng)后重量回避地球上要(yào)轻,这是由于火星较(jiào)低的重力加速度所造成的。但是质量在整个过程中(zhōng)是(shì)不会变化的(de),因为无人机(jī)中(zhōng)的材料,如(rú)木(mù)头(tóu)、金属、塑(sù)料等的数量是(shì)一样的。
一个具有(yǒu)很大质(zhì)量的(de)物体需要用更大的力(lì)去打(dǎ)破它的平衡才能达到给(gěi)定的加速(sù)度(dù),而小质量的物体所(suǒ)需(xū)的力则小。这(zhè)样一种行之有时(shí)是个优点,比如,无人机受突(tū)风(fēng)影响的(de)时候(hòu),一个小质(zhì)量的无人(rén)机在受到突(tū)风影响的时候可能(néng)会翻滚,静止加速到飞行速度,再从(cóng)平飞改变为爬(pá)升(shēng),同事保持转弯,还要(yào)较(jiào)大的力将无(wú)人(rén)机重(chóng)新回到静止状态。无论什么时候(hòu)由外力打破(pò)平衡,比如加速或减速,或者方向的(de)变化,成为惯性的(de)物体的质量(liàng)都会阻止这种(zhǒng)变化(huà)。
牛(niú)顿三大运动定律(lǜ)
所有的空气动力(lì)学(xué)理论都(dōu)建立在运动定律之一。这(zhè)些最(zuì)初由牛顿创立的理论至今在工程领域的(de)地位仍(réng)然不(bú)可动摇,前提是只要(yào)所讨论的物体的速度远小(xiǎo)于光(guāng)速,并且所研究的固体和流体的密度和尺寸在通常的范围内。量子力学和相(xiàng)对论,虽然在(zài)高能(néng)物理(lǐ)和天(tiān)文学中比牛顿(dùn)力学更受青睐,但是对于理解无人机空气动力学来说完全没有(yǒu)必要掌(zhǎng)握。
牛顿第(dì)三(sān)运(yùn)动定律(lǜ)表明作用力和反作用力是大小相等方向相反的。当一(yī)个飞行器静止(zhǐ)在地(dì)面上时,它的重力方向向下,与由地(dì)面施加的大小相(xiàng)等(děng)方(fāng)向相反的反作用力恰好构成平衡。
任何不平衡的(de)力都会产(chǎn)生加速度。一个在地面上(shàng)的无(wú)人机,起(qǐ)飞前可能被拉住,但发动(dòng)机(jī)是开着的(de)。发动机(jī)的推(tuī)理与拉力(lì)方(fāng)向相反,大小相等,所以平衡。一旦(dàn)放开,无(wú)人机就开始加速(sù)。他一开始运(yùn)动,空气(qì)阻力和(hé)地面(miàn)摩擦力也就随之而来,而且无人机速度越快,这些阻力也就越(yuè)大(dà)。
在水(shuǐ)平飞行中(zhōng),垂直向(xiàng)下的重力由(yóu)一个垂直(zhí)向上(shàng)的反作用力平(píng)衡(héng)着。在一般的(de)飞行(háng)器中,这个反作(zuò)用力来(lái)自于机翼和可(kě)能的其他表面,但是(shì)也有可能以其他(tā)形式的力来提供。直升机靠它的旋(xuán)翼支撑,悬停的“鹞”式飞机靠推力来支持。如果向上的(de)反作用力比(bǐ)重力小,飞行(háng)器就会向下加速。要停止这个加速运动,就必须重(chóng)新产生反作用力来(lái)平(píng)衡重(chóng)力。这(zhè)可以带来平(píng)衡(héng)但是不会阻止下降。要做到不再下降就必须施加更(gèng)大(dà)的(de)力使(shǐ)其减速(sù)。所有的加速或减(jiǎn)速都会由(yóu)飞行器的质量来反抗,也就是惯性(xìng)。
力的平(píng)衡(héng)
如果一个物体处于平衡状态,那么它(tā)就有保(bǎo)持(chí)这种平衡状态的趋势。所有施加在平衡物体上(shàng)的外力都是平衡的,不会有任何改变其(qí)状态或往(wǎng)任(rèn)何方向加速或(huò)减速(sù)的趋(qū)势存在。这些很容易理解,只要看看(kàn)立在地面上的东西,比如家具或者放(fàng)在架子上(shàng)火桌(zhuō)面上的飞(fēi)机模型就知道(dào)了,它们(men)不会移动。如果没有外界的干扰,比如说以某种方(fāng)式使其加(jiā)速,这些物体会一直保(bǎo)持其状态。
移动(dòng)的物体也可能(néng)处于平衡状态。一(yī)个在静止大气中做水平直线飞行的飞(fēi)机,它(tā)既不加速也不减速,还(hái)不转弯,这时(shí)它就处于平衡(héng)状态,并且倾向于做持续(xù)稳定飞行。同样(yàng)道理,如果(guǒ)这个飞行器以(yǐ)恒(héng)定的速度直线爬(pá)升,那么它也处于平衡状态。
即使高度增加了,它也(yě)仍然(rán)处(chù)于平衡状(zhuàng)态。如果没有新的外力施加在它上面,它将沿着其(qí)爬升方向稳定地飞行(háng)。即使爬升是完全(quán)垂直(zhí)的,只要它的速度保持(chí)稳(wěn)定,并且方向不发生(shēng)变(biàn)化,它(tā)仍然是平(píng)衡(héng)的。同理(lǐ),当它(tā)以固定的速度俯冲时也(yě)是出于平(píng)衡(héng)状态。平衡(héng)是事(shì)物(wù)一(yī)种(zhǒng)非常普遍(biàn)的状(zhuàng)态(tài),不稳定运动状(zhuàng)态与稳定运动或者静止状态的情况的不同之处就(jiù)是多了加速度。
力的分解的原(yuán)则应用非常广泛。一个水平飞行的受(shòu)力飞行器受4个互(hù)成指教的力作用:推(tuī)理和反作用(yòng)力阻(zǔ)力(lì),重力和反作用力升力。这是(shì)由(yóu)大(dà)量的小(xiǎo)力的(de)合成(chéng)和分解得(dé)到的,其中(zhōng)每个小力都(dōu)会(huì)对合(hé)力有贡献。

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