国际标(biāo)准(zhǔn)大(dà)气
速度(dù)(用v表示)在标准(zhǔn)公式(shì)中量纲用的是米/秒(miǎo)而不是千米/小时。
要打破平衡,改变速(sù)度大小或(huò)飞行(háng)方向,需(xū)要(yào)力的变化来(lái)引起(qǐ)相(xiàng)应的加速(sù)度的变化。
牛顿第二运动定律表明,要获得给定加速度(dù),所施加的力(lì)的大小取决于无人机的(de)质量。质量与重量(liàng)不是(shì)一回事儿,尽管(guǎn)在(zài)平常的语言中,这两个词经常(cháng)是指同一件事(shì)。重量是由(yóu)质量而来的。如果(guǒ)一架无人机由火箭带到
空气(qì)从基本组成上看(kàn),可(kě)以认为是由无数(shù)独立的粒子所(suǒ)组(zǔ)成的(de),也就是所谓的分子,它们都(dōu)处于激烈的(de)运动中。气(qì)体的温度是衡量这(zhè)种运(yùn)动(dòng)激烈程度的尺度。温度(dù)低时分子的(de)运动比温度高时要缓慢(màn)。可以说,运动的分子发生碰撞对(duì)浸没(méi)在其中的物体发生了气体(tǐ)压力。密(mì)度(dù)是衡量(liàng)在空间(jiān)里分(fèn)子数目多少的一个(gè)尺度。
在低速空(kōng)气动力学中,研(yán)究空气的分子组成是(shì)没有必要的。无人机飞行的介质是流体,但(dàn)这并不是说空气(qì)是液体。液(yè)体是一种几(jǐ)乎不可压缩的流体,而气体是可压(yā)缩的流体。无人机的速度(dù)远达不到(dào)要考(kǎo)虑空气可(kě)压缩(suō)性(xìng)的程度。这(zhè)个结论对于全尺寸的(de)高(gāo)性能滑翔(xiáng)机,超轻型、轻型和商用飞行器,乃至中型的活塞运输机(jī)都是成立的(de)。
可(kě)压缩(suō)性的问题只有在处理喷气(qì)动力飞(fēi)机以及螺旋桨(jiǎng)翼(yì)尖和直升机旋(xuán)翼问题时才(cái)需考虑。对于低速的无人机(jī)来(lái)说(shuō),空气(qì)可以被认为是不可压(yā)缩的(de)流体。即便如此,密度变化的意义还(hái)是很重(chóng)要的,它跟高度和天气有关。在高海(hǎi)拔和高温环境中(zhōng),空(kōng)气密度(dù)比(bǐ)贴近(jìn)海(hǎi)平台和低温环境中的密(mì)度要小。航空器驾驶员在(zài)高原或(huò)者热带操作飞机时会发现(xiàn)空(kōng)气密度的(de)确会对飞(fēi)机造成(chéng)一些(xiē)影响,比如,要得(dé)到(dào)相同的升力(lì)就必须飞得(dé)更(gèng)快(kuài)一些。发动机的螺旋桨也受到一些负面(miàn)影响。空气的潮(cháo)湿程度(即湿度)也会影响(xiǎng)密度。干燥(zào)的空气比潮湿(shī)的控制更加稠密。湿(shī)度因此也会对空气(qì)动力产生影响,并且有些驾(jià)驶员认为这些影响是可以感受到的,特(tè)别是对一(yī)些轻小的飞(fēi)机来说比较明显。热空气因为比周(zhōu)围的空气更加潮(cháo)湿(shī)而(ér)上升,所(suǒ)以滑翔机飞行员经常(cháng)会(huì)利用上升的热气(qì)流进行空中(zhōng)的滑翔(xiáng)。
无人(rén)机(jī)空(kōng)气(qì)动(dòng)力学(xué)基础
速度与加速(sù)度(dù)
速度(用(yòng)v表示)在标准公式中量纲用的(de)是米/秒而不是千米/小时(shí)。
要打(dǎ)破平衡,改变速度小大或飞行方向,需要力的变化来(lái)引起相(xiàng)应的加速度的变化。
牛顿第二运动定律表明,要获得给定(dìng)加(jiā)速度,所(suǒ)施加的力的大(dà)小取决(jué)于(yú)无人机的(de)重量(liàng)。质量与重(chóng)量不是一回(huí)事儿,尽管在平常(cháng)的语(yǔ)言中,这两个词经常是指同一(yī)件事。重量(liàng)是由质量而来(lái)的。如果一架(jià)无人机由火箭带到(dào)火星上,在当地大气条件下测试的话,那么(me)在大部分时间的旅程中,它是没有重量的,并(bìng)且到达(dá)火星(xīng)后重量回避地球(qiú)上要轻,这(zhè)是由于(yú)火星较低的重力加速度所造成(chéng)的。但是质量在整个过程(chéng)中(zhōng)是不会变化的,因为无人机(jī)中(zhōng)的(de)材料,如(rú)木头、金属、塑料等(děng)的数量是(shì)一样的。
一个具有很大(dà)质量的物体(tǐ)需要用更大的(de)力去打破它的平衡才(cái)能达到(dào)给定(dìng)的加速度,而小质量的(de)物体所(suǒ)需(xū)的力则小。这样(yàng)一种行之(zhī)有(yǒu)时是个优点,比(bǐ)如,无(wú)人机(jī)受突风影(yǐng)响的时候,一个小质量(liàng)的无人机在受(shòu)到突(tū)风影响的时候(hòu)可能会翻滚,静止(zhǐ)加速到飞行速度,再从(cóng)平飞改变为爬(pá)升,同事保持(chí)转弯,还要较(jiào)大的力将无人机重新(xīn)回(huí)到静止状态。无论什么时候由(yóu)外力(lì)打(dǎ)破平衡,比(bǐ)如加(jiā)速(sù)或减速,或者方向的变化,成为惯性(xìng)的物体的质量都会阻止(zhǐ)这种(zhǒng)变化。
牛顿三(sān)大(dà)运(yùn)动(dòng)定律(lǜ)
所有的(de)空气动(dòng)力学理论都建立在运动定律之一。这(zhè)些最初由牛顿创立的(de)理论至今在(zài)工程领域的地位仍(réng)然不可动摇,前提是只要所(suǒ)讨论的物体(tǐ)的速度远小于光(guāng)速,并且(qiě)所研究的固体和流体的密度和尺寸在通(tōng)常的范围(wéi)内(nèi)。量子力学和相(xiàng)对论(lùn),虽然(rán)在高(gāo)能物理和(hé)天文(wén)学中比牛顿力学更受青睐,但是(shì)对于理解无(wú)人(rén)机空气动力学来说完全没有必要掌握。
牛顿第三运动定(dìng)律表明作用力和(hé)反作(zuò)用力是(shì)大(dà)小相(xiàng)等(děng)方向相反的。当一个飞行器静止在地面上时(shí),它的重力方向向(xiàng)下,与由地面施加的(de)大小相等方向相(xiàng)反的反作用力恰好构成平衡(héng)。
任何不平衡的力都会(huì)产生加速(sù)度。一个在地面上(shàng)的无(wú)人机,起飞前可能被拉住,但发动机是开着的。发动机的推理(lǐ)与拉力方向(xiàng)相反(fǎn),大小相等,所以平衡。一旦放开,无人机就开(kāi)始(shǐ)加速。他一开(kāi)始运动,空气阻力和地面(miàn)摩(mó)擦力也就随之而来(lái),而且无人机速(sù)度越快(kuài),这些阻(zǔ)力也就越大。
在水(shuǐ)平飞(fēi)行中,垂直向(xiàng)下的重力由一个垂直(zhí)向上的反作(zuò)用力平衡(héng)着。在一般的飞行器中,这个反作(zuò)用力(lì)来自于机翼(yì)和(hé)可能的其他表面,但是(shì)也有可能以其他形式(shì)的力来提供。直升机靠它的(de)旋翼支撑,悬停(tíng)的“鹞(yào)”式飞机靠(kào)推力来支(zhī)持。如果向上的反(fǎn)作用力比重(chóng)力小,飞行器就(jiù)会向下加(jiā)速。要(yào)停止(zhǐ)这个加速运动,就必(bì)须重新(xīn)产生(shēng)反作用力(lì)来平衡重力。这(zhè)可(kě)以(yǐ)带来平(píng)衡但(dàn)是(shì)不会阻止(zhǐ)下降。要做到不(bú)再下降就必须施加更大的力使(shǐ)其减速。所有的加速或(huò)减速都会(huì)由飞行器的质量来反(fǎn)抗,也就是惯性。
力的平(píng)衡
如果一个物(wù)体(tǐ)处于平衡状态,那(nà)么它就有保持这种(zhǒng)平(píng)衡状态的趋(qū)势。所有施加在平衡物体上(shàng)的外(wài)力都是平(píng)衡的,不(bú)会有任(rèn)何改变(biàn)其状态(tài)或往任何方向加速或(huò)减速的趋势存在。这些很容易理解,只(zhī)要看看(kàn)立在地(dì)面上的(de)东西,比如家(jiā)具或者放在架子上(shàng)火桌面(miàn)上的飞机模型就知道了,它(tā)们不会移动。如果没有外界的干扰,比如说以某种方式(shì)使其加速(sù),这些(xiē)物体会一直保持(chí)其状(zhuàng)态。
移动的物体(tǐ)也可能处于平衡状态。一(yī)个在(zài)静止大气中做(zuò)水平直(zhí)线飞行的飞(fēi)机,它(tā)既不(bú)加速也不(bú)减速,还不转弯(wān),这时它就处(chù)于平衡状态,并且倾向(xiàng)于做持续(xù)稳定飞(fēi)行。同样道理,如(rú)果这个(gè)飞(fēi)行器以恒定的速度直线爬升,那(nà)么它也处于平(píng)衡状(zhuàng)态。
即使(shǐ)高度增加了,它也仍然处于平衡状态(tài)。如果(guǒ)没有新的外力(lì)施(shī)加在它(tā)上面,它将沿着(zhe)其爬(pá)升方向稳定地飞行。即使爬升是完(wán)全垂直的,只要(yào)它的(de)速度保(bǎo)持稳定(dìng),并且方向不发生变化(huà),它仍然(rán)是平衡的。同理,当它以固定的速度(dù)俯(fǔ)冲时也是出于平(píng)衡状态。平衡(héng)是事物一种(zhǒng)非常普遍的状态,不稳定运动状(zhuàng)态与稳定运动或者静止状态的情(qíng)况的不同(tóng)之处(chù)就是多(duō)了加速(sù)度。
力的(de)分解的原则应用非常广泛。一个(gè)水平飞(fēi)行的受(shòu)力飞行器受4个(gè)互成指教的力作用:推(tuī)理和反(fǎn)作用(yòng)力(lì)阻力(lì),重力和反作用力升力。这是由大(dà)量(liàng)的小力的合成和(hé)分解(jiě)得到(dào)的,其中每(měi)个小(xiǎo)力(lì)都(dōu)会对合力有贡献。

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