国际标准大(dà)气
速(sù)度(用v表示)在标准公式中(zhōng)量纲用(yòng)的是米/秒而不是千米/小时。
要打破平衡,改变速(sù)度大小或飞行方向,需要力的变化来引起(qǐ)相应的加速度的变化。
牛顿第二运(yùn)动定律表明,要获得给定加速度,所施加(jiā)的力的大(dà)小取决(jué)于无(wú)人机的(de)质量。质量与重量不是一回事儿(ér),尽(jìn)管在平常的语言中,这(zhè)两个词经(jīng)常是指(zhǐ)同一件事。重量是由质量而来(lái)的。如果一架(jià)无人机由火箭带到
空气从基本组(zǔ)成上(shàng)看(kàn),可以认为是由(yóu)无(wú)数独立的粒子所(suǒ)组成(chéng)的,也就是所(suǒ)谓的(de)分子,它们都处于(yú)激烈的运动(dòng)中。气体的温(wēn)度是衡(héng)量这种(zhǒng)运(yùn)动激(jī)烈程度的尺(chǐ)度。温度低时(shí)分子的运动(dòng)比(bǐ)温度高(gāo)时要缓慢。可以(yǐ)说,运(yùn)动的分子发(fā)生碰撞对浸没在(zài)其(qí)中的物(wù)体(tǐ)发生了气(qì)体压力(lì)。密度是衡量(liàng)在空间里分子数目多少的一(yī)个尺度。
在低速空气动力学中,研究(jiū)空气的分子组成是没(méi)有必要的。无(wú)人机飞行的介质(zhì)是流体(tǐ),但这并(bìng)不是说空气是(shì)液体。液体是(shì)一(yī)种(zhǒng)几乎不可压缩的流体,而气体是(shì)可压缩的流体。无人(rén)机的速度远达不(bú)到(dào)要考(kǎo)虑(lǜ)空气可压缩(suō)性的程度。这个结论对于全尺寸(cùn)的高性能滑翔机,超(chāo)轻(qīng)型、轻型和商用飞行(háng)器,乃至中型的活塞运输机都(dōu)是成立的(de)。
可(kě)压(yā)缩性的问题(tí)只有在处理喷气动力飞(fēi)机以(yǐ)及(jí)螺旋桨翼尖和直(zhí)升机旋翼问题时才需(xū)考虑(lǜ)。对(duì)于低速的无人机来说,空气可以被认(rèn)为是不可压缩的流体。即便如(rú)此,密度变化的意义还(hái)是很重(chóng)要的,它跟(gēn)高度和(hé)天(tiān)气(qì)有关(guān)。在高海拔和(hé)高温(wēn)环境中,空气密度比贴近海平(píng)台和低温环境中的(de)密度要小。航空(kōng)器驾(jià)驶员在(zài)高原或(huò)者热(rè)带操作飞机时会(huì)发现空(kōng)气密度(dù)的确(què)会(huì)对(duì)飞机造(zào)成一(yī)些影响,比如,要得到相同(tóng)的升力就必须飞得更快一些。发(fā)动机的(de)螺旋(xuán)桨(jiǎng)也(yě)受到一些负面影响(xiǎng)。空(kōng)气的潮湿程度(即湿度(dù))也会影响(xiǎng)密度(dù)。干燥的空气比潮湿的(de)控制(zhì)更加稠密。湿度因此也会对空气动力产生(shēng)影(yǐng)响,并且(qiě)有些驾驶员认为这些影响是(shì)可(kě)以感受到的,特别是对一些轻小(xiǎo)的飞机来说(shuō)比较明显(xiǎn)。热空气因为比周围的空气更加潮湿而上升,所(suǒ)以滑翔机飞(fēi)行员经(jīng)常会(huì)利用上升的(de)热气流进行空中的滑翔。
无(wú)人机空气动力(lì)学基础
速度与加速(sù)度
速度(用v表示)在标准公式中量纲用(yòng)的是米/秒(miǎo)而不是千米/小时。
要打破平衡,改变速度(dù)小大或飞行(háng)方向,需要力的变化来引起相(xiàng)应的加速度的变(biàn)化。
牛顿第二运(yùn)动定律表明(míng),要获(huò)得给定加(jiā)速(sù)度,所施(shī)加的力(lì)的大小取(qǔ)决于无(wú)人机的重量。质(zhì)量与重量不是一(yī)回(huí)事儿,尽管在平(píng)常的语言中,这两个词经常是指同一件(jiàn)事。重量是由质量(liàng)而来的。如(rú)果一架无人机由火(huǒ)箭带到火星上,在当地大气条件下测试的话,那(nà)么在大(dà)部分(fèn)时间的旅程中(zhōng),它是没有重量(liàng)的,并(bìng)且到达火星(xīng)后重量回避地球上(shàng)要轻(qīng),这是由于火星较低的重力(lì)加速度所造成的。但是质量在整个过程中是不会变化的,因(yīn)为无人机中的材料,如木头、金属(shǔ)、塑料等的(de)数量是一样的。
一个具有很大质量(liàng)的物(wù)体(tǐ)需要用更(gèng)大(dà)的力(lì)去打破它的(de)平(píng)衡(héng)才能(néng)达到给定(dìng)的加速度,而小质量(liàng)的物体所需的力则小。这样一种行之有时(shí)是个优(yōu)点,比如,无人机受突风影响(xiǎng)的时候,一个小质量的无人机在受到(dào)突(tū)风影响的时候可(kě)能会翻滚,静止加速到飞行速度,再从平飞改(gǎi)变为爬升,同事保持转弯,还要较大的力将无人机重新回到静止(zhǐ)状态。无论(lùn)什么时候由(yóu)外(wài)力打破平衡,比如加速或减速,或者方向的变(biàn)化,成为(wéi)惯性的物体的质量都会阻(zǔ)止这种变化。
牛(niú)顿三大运动定律
所(suǒ)有的空(kōng)气动力学理论都建立(lì)在运动定律之一。这(zhè)些最初由(yóu)牛顿(dùn)创立的理论至今在(zài)工程领域的地位仍然不可动摇(yáo),前提是(shì)只要所讨论的物体的(de)速度(dù)远小(xiǎo)于(yú)光速,并且(qiě)所研究(jiū)的固体和流体的密度和尺寸在(zài)通常的范围内。量子力学和(hé)相对论,虽然在(zài)高能(néng)物理(lǐ)和天文学中比牛顿力学更受青睐,但是对于(yú)理解(jiě)无人机空气动力学来说完全没有必要掌握。
牛顿第(dì)三运动定律表明作用力和反作(zuò)用力是大小相等(děng)方向相(xiàng)反的(de)。当一个飞行器静止在地面上(shàng)时,它(tā)的重力方向向下,与(yǔ)由地面施(shī)加的大小(xiǎo)相等(děng)方向(xiàng)相反的反作用力恰(qià)好构成(chéng)平衡。
任何不平衡(héng)的力都会产生(shēng)加速度。一个在地面(miàn)上的无人机,起飞前可能被拉住,但发(fā)动(dòng)机是(shì)开着的。发动(dòng)机的(de)推理与拉力方向相反,大小相(xiàng)等(děng),所以平衡。一(yī)旦放开,无(wú)人(rén)机就开始(shǐ)加(jiā)速。他一开始运动,空气阻力和地面摩擦力也就随之而来,而且无人机速度(dù)越快(kuài),这些阻力也就越大。
在水(shuǐ)平飞行中,垂直向下的重力由一个(gè)垂(chuí)直向上的反作用力平衡着。在一般(bān)的飞行器中,这个反作用力来自于(yú)机翼和(hé)可能的其他表面,但是也有可(kě)能以其他(tā)形(xíng)式(shì)的力来提(tí)供。直升机靠它(tā)的旋翼支(zhī)撑,悬停的“鹞”式飞机靠推力来支持。如果向上的(de)反(fǎn)作用力比重力小,飞行(háng)器就会向下(xià)加速(sù)。要停止(zhǐ)这个加速运动,就(jiù)必(bì)须重新产生(shēng)反(fǎn)作(zuò)用力来平衡重力(lì)。这可以带(dài)来平衡(héng)但(dàn)是不会(huì)阻止下降。要做到不再(zài)下(xià)降就必须施加更大(dà)的力使其减速。所有(yǒu)的加速或减速(sù)都会由飞行器的质量来(lái)反抗(kàng),也就是惯性。
力的平衡
如果一个物体处于平衡(héng)状(zhuàng)态,那么它就有保持(chí)这种平衡状态(tài)的趋势(shì)。所有施加在平衡(héng)物体(tǐ)上的外力(lì)都是平(píng)衡(héng)的,不会有任何改变其状(zhuàng)态(tài)或往任何方向加速或减速的趋势存在。这些(xiē)很容易(yì)理解(jiě),只要(yào)看(kàn)看(kàn)立在地面上的东西,比如家具或者放在架子上火桌(zhuō)面(miàn)上的飞机模型(xíng)就知道(dào)了,它们不会移动。如果没有外界的干扰,比如说以(yǐ)某种方式使其加速,这些物体会一直保持其状态。
移动的物体(tǐ)也(yě)可(kě)能处于平衡(héng)状态。一(yī)个在静止大气中做水平(píng)直线飞行(háng)的飞机,它既(jì)不加速也不减速,还不转弯,这时(shí)它(tā)就处于(yú)平衡状态,并且倾向于做持续稳定飞行。同样道理,如(rú)果这个飞行器(qì)以(yǐ)恒定(dìng)的(de)速度直线爬升,那么它也处于平(píng)衡状态(tài)。
即使高度增加了,它(tā)也仍然处于平衡状态。如果(guǒ)没有新的(de)外力施加(jiā)在它上面,它将沿着其爬升方向稳定地(dì)飞行。即使爬(pá)升是(shì)完全(quán)垂直的,只要它的速度保持稳(wěn)定,并且方向不发生变化(huà),它(tā)仍然(rán)是平衡的。同(tóng)理,当它以(yǐ)固定的速度俯冲时也是出于平衡状态。平(píng)衡是(shì)事物一种非常普(pǔ)遍(biàn)的(de)状态(tài),不稳(wěn)定运动状态与稳定(dìng)运动或(huò)者静止状态的情况的不(bú)同之(zhī)处(chù)就是多了加速度。
力的分(fèn)解的原则(zé)应用非常广(guǎng)泛。一个水(shuǐ)平飞(fēi)行的受力飞行器受4个互成(chéng)指教的(de)力作用:推理(lǐ)和反作用力(lì)阻力,重力和反(fǎn)作(zuò)用(yòng)力(lì)升力。这是由大量的(de)小(xiǎo)力(lì)的(de)合成(chéng)和分(fèn)解得到的,其中每个(gè)小力都会对合力有贡献(xiàn)。

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