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航空(kōng)知(zhī)识手册之(zhī)九:标准大气和空气动力学(xué)

 

国际标准大气

速度(用v表示)在标准公式中量纲用的是米/秒而不是千米/小时。

要打破平衡,改变速度大小或飞行方(fāng)向,需要(yào)力的(de)变(biàn)化来引起相应的加速度的(de)变化。

牛顿第二(èr)运动定律表明,要获得给定(dìng)加速度,所施加的力的大(dà)小取(qǔ)决于无人机(jī)的质量。质量与重量不是一回(huí)事儿,尽管(guǎn)在平常的语言中,这(zhè)两个词经常是指(zhǐ)同(tóng)一件事。重(chóng)量是(shì)由质(zhì)量而来的。如果一架无(wú)人机由(yóu)火箭(jiàn)带(dài)到

空气(qì)从基本组成上看,可以认为是由(yóu)无数独立(lì)的粒子所组成的,也就是所(suǒ)谓(wèi)的分子,它们都(dōu)处于(yú)激烈(liè)的运动中。气体的温度(dù)是衡量这种运(yùn)动(dòng)激烈(liè)程度的尺(chǐ)度。温度低时分子的运(yùn)动比温度(dù)高时要(yào)缓(huǎn)慢(màn)。可以(yǐ)说(shuō),运动的(de)分(fèn)子发(fā)生碰撞对浸没在其中的(de)物体发生了气(qì)体压(yā)力。密(mì)度是衡量(liàng)在空间里分子数目多少的(de)一个尺度(dù)。

在(zài)低速空气动(dòng)力学中,研究空气的分子组成是没有必要的。无人机飞行的介质(zhì)是流(liú)体,但这(zhè)并(bìng)不(bú)是说空(kōng)气是(shì)液体(tǐ)。液体是(shì)一种几乎不可压缩的流体(tǐ),而气体是可压缩(suō)的流体。无(wú)人机的(de)速度(dù)远达不到要(yào)考虑空气可压缩(suō)性的程度。这个(gè)结论对于全尺寸(cùn)的高性能滑翔(xiáng)机,超轻(qīng)型、轻型和商用飞(fēi)行(háng)器,乃至中型(xíng)的活(huó)塞运输机都是成立(lì)的(de)。

可(kě)压缩性的问题(tí)只有在(zài)处理喷气动力飞机以及螺旋桨翼尖和直升机旋翼问题时才需考虑。对于(yú)低速的无人(rén)机来(lái)说,空气(qì)可以被认为是不(bú)可压缩的(de)流体。即(jí)便如此,密度(dù)变化的意(yì)义还是很(hěn)重要的(de),它跟高度(dù)和天气有关(guān)。在高海拔和高温(wēn)环境中,空气密度(dù)比(bǐ)贴近海平台(tái)和低温(wēn)环(huán)境中的密度(dù)要(yào)小。航(háng)空器驾驶员在高原或者热带操作飞机时会(huì)发现空气密度的确会对飞机造成一些影响,比如,要得到相同的升(shēng)力就必(bì)须(xū)飞得更快一些。发动机的螺旋(xuán)桨也受到一些(xiē)负(fù)面影响。空气(qì)的潮湿程度(即湿度)也会影响密度。干燥的空气比潮(cháo)湿(shī)的控(kòng)制更加稠(chóu)密。湿度因此也会对空气(qì)动力产(chǎn)生影响(xiǎng),并且(qiě)有些驾驶员认为这些(xiē)影响(xiǎng)是可以感受到的,特别是对一些轻小(xiǎo)的飞机来说(shuō)比较明(míng)显。热空气因(yīn)为比周围的空气更(gèng)加潮湿而上升,所以滑翔机飞行员经常(cháng)会利用上升的热气流进(jìn)行(háng)空中的滑翔。

无人机空气动力学基础(chǔ)

速度(dù)与(yǔ)加速度(dù)

速度(用v表示)在标(biāo)准公式(shì)中量纲用的是米/秒而不是千米/小时。

要打破平(píng)衡,改变速度小大(dà)或飞(fēi)行(háng)方(fāng)向,需(xū)要力的变化来引起相应的加速度的变化。

牛顿第二运动定律表明,要获得给定加(jiā)速(sù)度,所施加的力的(de)大小取(qǔ)决于无人(rén)机(jī)的重量。质量与重量不是一回事(shì)儿,尽管(guǎn)在(zài)平常的语言中,这两个(gè)词经常是(shì)指同一件事。重量(liàng)是由质(zhì)量而来的。如果一架无人(rén)机由(yóu)火箭(jiàn)带到火星上(shàng),在当地大气条件下(xià)测试的话,那么在大部分时间的旅(lǚ)程中,它是(shì)没有重(chóng)量的,并(bìng)且到达火星后重(chóng)量回避地(dì)球上要轻,这是由于(yú)火星较低的重力加(jiā)速度所(suǒ)造成的。但是(shì)质量(liàng)在(zài)整个过程中是不会变化(huà)的,因为无人(rén)机中的材料(liào),如木头、金属(shǔ)、塑料等(děng)的数量是一样的(de)。

一个(gè)具有很大质量的物体(tǐ)需(xū)要用更大的(de)力去打破它(tā)的平衡才能达到(dào)给(gěi)定的(de)加速(sù)度,而小质量的物体所需的力则小(xiǎo)。这样(yàng)一种行(háng)之有(yǒu)时是个优点,比如,无人(rén)机受突风影响的时候(hòu),一个小质量的无人机(jī)在受到突风(fēng)影响(xiǎng)的(de)时(shí)候可能会翻(fān)滚(gǔn),静止加速(sù)到飞行速度(dù),再从(cóng)平飞改变为爬(pá)升,同事保持转弯,还要较大的力将无人机重新回到静止状态。无论什么时候由外力(lì)打破平衡,比(bǐ)如加速或减速,或者方向的变化(huà),成为惯(guàn)性的物体的质量都会阻(zǔ)止这种变化。

牛顿三大(dà)运动定律

所有的空气动力学理论(lùn)都(dōu)建立在运动定律之一。这些最初由牛顿(dùn)创立的理论至今在工程(chéng)领域的(de)地位仍(réng)然不可(kě)动(dòng)摇(yáo),前提是只(zhī)要(yào)所讨论(lùn)的物体(tǐ)的(de)速度远小于光速,并且(qiě)所研究的固(gù)体和流体的(de)密度和尺寸在通常的(de)范围内。量子力学和相对论,虽然在(zài)高能物理和天(tiān)文学中比牛顿力学更受青睐,但是对于理解无人(rén)机(jī)空气(qì)动(dòng)力学来(lái)说(shuō)完全没有必要(yào)掌握。

牛顿第三运动定律表明作用力和反作用力是(shì)大小相等方向相反的。当一个飞(fēi)行器静止在(zài)地(dì)面上(shàng)时,它的重力方(fāng)向(xiàng)向(xiàng)下,与由(yóu)地面施加的大小(xiǎo)相等方向(xiàng)相反的(de)反作用力恰好(hǎo)构(gòu)成平衡。

任何不平衡的力都会产生加速度。一个(gè)在地面上的无人机,起飞(fēi)前可能被拉住,但发动机是开(kāi)着的。发动机的推(tuī)理与拉力方向相(xiàng)反,大小相等,所以平衡。一旦放开,无人机就开始加速。他一开始运动,空气(qì)阻力和地面摩擦力也就随之而来,而且无人(rén)机(jī)速度越(yuè)快,这些阻力也就越大(dà)。

在水(shuǐ)平飞(fēi)行中,垂直向下的重(chóng)力(lì)由一个垂直向上的(de)反作用力平衡着。在一般的飞行器中,这个反作用力来(lái)自(zì)于机翼(yì)和可(kě)能的其他表面,但是也有可能以其他(tā)形式的力来提供。直升机靠它的旋翼(yì)支撑,悬(xuán)停的“鹞”式(shì)飞机(jī)靠(kào)推力来支持。如(rú)果向上(shàng)的反作(zuò)用力比重力小,飞行器就会向下加速。要停止(zhǐ)这个加速运动,就必须重新产(chǎn)生反作用力来平衡(héng)重(chóng)力。这可以带(dài)来平衡但是(shì)不(bú)会(huì)阻(zǔ)止下降。要做到不再下(xià)降就必须(xū)施加更大的力使其减速。所(suǒ)有的加速或减速都会由(yóu)飞(fēi)行器的质(zhì)量来反抗,也就(jiù)是惯性。

力的(de)平衡

如果一个物体处于平衡状态,那么它就有保持这种平(píng)衡状态的趋势。所有施加在平衡物(wù)体上的外力都是平衡的,不会有任何改变其状态或往任何方向加(jiā)速或减速的趋势存(cún)在。这些很容易理解,只(zhī)要(yào)看看立(lì)在地面上的东(dōng)西,比如家(jiā)具或者放在架子上火桌面上(shàng)的飞机模型就(jiù)知道了,它(tā)们不会移(yí)动。如果没有外界的(de)干(gàn)扰,比如说以某种方式使其加速,这些物体(tǐ)会一直保持其状态(tài)。

移动的物体也可能(néng)处于平衡(héng)状态(tài)。一(yī)个在静止大气中(zhōng)做水平(píng)直线(xiàn)飞(fēi)行的飞机,它既不加速也不减速,还不转弯,这时它就处于平衡(héng)状(zhuàng)态,并且倾向(xiàng)于做持续稳定飞行。同样道理,如果这个飞行器以恒定的速(sù)度(dù)直线爬升,那(nà)么它也(yě)处于平衡状态。

即使(shǐ)高度增加了,它也仍然处于(yú)平衡状态(tài)。如果没有新的外(wài)力施加(jiā)在它上(shàng)面(miàn),它将沿着其爬升方向稳定地(dì)飞行。即(jí)使(shǐ)爬升是完(wán)全垂直的,只要(yào)它的速度保持稳(wěn)定,并且(qiě)方向不发生(shēng)变化,它仍(réng)然(rán)是平衡的(de)。同理(lǐ),当(dāng)它以(yǐ)固定的速度俯冲时也是(shì)出于平衡状态。平衡是(shì)事物一种非常普(pǔ)遍的状态,不稳定运动状态与稳(wěn)定运动(dòng)或(huò)者静止状态的情(qíng)况的不(bú)同之处就(jiù)是多了(le)加(jiā)速度。

力(lì)的分解的原则(zé)应用非常广泛。一个水平飞行的受(shòu)力飞行器受4个互成指教的力作用:推理(lǐ)和反作(zuò)用力(lì)阻力,重力(lì)和反作用(yòng)力升力(lì)。这是由大量(liàng)的小力(lì)的合成和分(fèn)解得到的,其中每个小力都会对合力有贡(gòng)献(xiàn)。

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