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航空知(zhī)识手册之九:标(biāo)准大气和空气动力学

 

国际标准(zhǔn)大(dà)气

速(sù)度(用v表示)在标准公式中(zhōng)量纲用的是米/秒而不是(shì)千米/小时。

要打(dǎ)破平衡,改变速度大小或飞(fēi)行方向,需要力的变化来引起相应(yīng)的加速度的变(biàn)化。

牛顿第二(èr)运动定律表明,要获(huò)得(dé)给定加速度,所施加的力的大小取决于无人机的质量。质(zhì)量与重量不是(shì)一(yī)回(huí)事(shì)儿(ér),尽管在平常的语言中,这两个(gè)词(cí)经常(cháng)是指同一件事。重量(liàng)是由(yóu)质量而来(lái)的(de)。如果(guǒ)一(yī)架无人(rén)机由火箭带到

空(kōng)气(qì)从(cóng)基(jī)本组成上看,可以认为是由无数独(dú)立的粒子所组成的,也就是所谓的分子,它们都(dōu)处(chù)于激烈的运(yùn)动中。气体的温度(dù)是衡(héng)量这种运动激烈(liè)程(chéng)度的尺度。温度(dù)低时分(fèn)子的运(yùn)动比温度高时(shí)要缓慢。可以(yǐ)说,运动的分子发(fā)生碰撞对浸没在其中(zhōng)的物体发生了(le)气体压力。密度是衡(héng)量在空间(jiān)里分子数目多少(shǎo)的(de)一个尺度。

在低速空(kōng)气动力(lì)学中,研究空气的分子组(zǔ)成是没(méi)有(yǒu)必要的。无人机飞行(háng)的介质(zhì)是(shì)流体,但这(zhè)并不(bú)是(shì)说空(kōng)气是液体。液(yè)体是一(yī)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)达不到要(yào)考虑空(kōng)气可压缩性的程度。这个结论对于全尺寸的高(gāo)性能滑翔机,超轻型(xíng)、轻型(xíng)和(hé)商(shāng)用飞行(háng)器,乃至中型(xíng)的活塞运输机都是成立的。

可压缩性的问(wèn)题(tí)只有在处理喷(pēn)气动力飞(fēi)机以(yǐ)及螺旋桨翼尖和直升机旋翼问题时才(cái)需考虑。对于低速的无人机来说,空(kōng)气可(kě)以被认为是(shì)不可压缩的流体。即便如此,密度变(biàn)化的(de)意(yì)义还是很重要的,它跟(gēn)高度和(hé)天气有关。在高海拔(bá)和(hé)高温环境(jìng)中(zhōng),空气密度比贴近(jìn)海平台(tái)和(hé)低温环境中的密度要小。航空器驾驶员在(zài)高原或者热带(dài)操(cāo)作飞机时会发现空气(qì)密度的(de)确会(huì)对飞机造(zào)成一些影(yǐng)响,比如,要得到相同的(de)升力(lì)就(jiù)必须飞得更快一些(xiē)。发动机的(de)螺旋桨也受到一些负(fù)面影响。空(kōng)气的潮(cháo)湿程(chéng)度(即湿(shī)度)也(yě)会影响密度。干(gàn)燥的空气比潮湿的控制更加(jiā)稠密。湿度因此也会(huì)对空气动力产生(shēng)影响(xiǎng),并且有些驾驶员(yuán)认为(wéi)这些(xiē)影响是可以感受到的,特别是对一些轻小的(de)飞机来说比较明显(xiǎn)。热空气因为(wéi)比周围的(de)空气(qì)更加潮湿而上升,所以滑(huá)翔机飞行员经(jīng)常会利(lì)用上升的热气流进行空中的滑翔。

无人机空气(qì)动力学基础

速度(dù)与加速度

速度(用v表示)在(zài)标准(zhǔn)公式中量(liàng)纲用的是米/秒而不是(shì)千米/小(xiǎo)时。

要打破平衡(héng),改(gǎi)变速度小大(dà)或(huò)飞行(háng)方向,需要力的变化来(lái)引(yǐn)起相应的加速度的变化(huà)。

牛顿(dùn)第二运动定律表明,要(yào)获得给(gěi)定加速度,所施(shī)加的力的(de)大小取决于无人(rén)机的(de)重(chóng)量。质(zhì)量与重量不是一回事(shì)儿,尽管在平(píng)常的语言中,这两个词经常(cháng)是指同一件事。重量是由(yóu)质(zhì)量而(ér)来的。如果(guǒ)一架无(wú)人机由火(huǒ)箭带到火(huǒ)星上,在当(dāng)地(dì)大气条件下(xià)测试的话,那么在(zài)大部分时间(jiān)的旅程(chéng)中,它(tā)是没有(yǒu)重量的,并且到达火星后重量回避地球上(shàng)要(yào)轻,这是由于火(huǒ)星较低的(de)重力加速度所造成的(de)。但是质(zhì)量在(zài)整(zhěng)个过程中是不会变化的,因(yīn)为(wéi)无人机中(zhōng)的(de)材(cái)料,如(rú)木(mù)头、金属、塑料等(děng)的数(shù)量是一样的。

一个具有(yǒu)很大(dà)质量的物体需要用更大的(de)力去(qù)打破它的(de)平衡才能达到给(gěi)定的加速度,而小(xiǎo)质量的物体(tǐ)所需(xū)的力则(zé)小。这样一种行之有时(shí)是(shì)个优点(diǎn),比(bǐ)如,无人机(jī)受突风影响的时候,一个小(xiǎo)质量的无人机在受到突(tū)风影(yǐng)响(xiǎng)的时(shí)候(hòu)可能(néng)会(huì)翻滚,静止加速到飞(fēi)行速度,再从平飞改变为爬升(shēng),同事(shì)保持转(zhuǎn)弯,还要较(jiào)大的(de)力将无人(rén)机(jī)重新回(huí)到(dào)静(jìng)止状态。无论什么时候(hòu)由外力打破平衡,比如(rú)加(jiā)速(sù)或减速,或者方向的变化,成为(wéi)惯(guàn)性的物(wù)体的质量都会阻止这种变化。

牛顿三大运动(dòng)定律

所有的(de)空气(qì)动力(lì)学理论(lùn)都建立在运动定律之一。这些最(zuì)初由牛顿创立的理论至今在(zài)工程领域的地位仍然不可(kě)动摇,前提是只要所讨论的物体的速度远小于光速(sù),并(bìng)且所(suǒ)研究的固体和流体的密度和尺寸在通常的范围内(nèi)。量子力(lì)学和相对论,虽然在(zài)高能物理和天文(wén)学中比牛顿力(lì)学更受青(qīng)睐(lài),但是对于理解无(wú)人机空气动力学来说完全没有必要掌握。

牛顿第三运动(dòng)定律(lǜ)表明(míng)作用(yòng)力和反作用(yòng)力(lì)是大(dà)小相等方(fāng)向(xiàng)相反的。当一个飞行器静止在(zài)地(dì)面上时,它的重力方向向(xiàng)下,与由地(dì)面施加的大小相等方向相反的反作用力恰好(hǎo)构成平衡(héng)。

任何不平衡的力都会产生加速度。一个在(zài)地面上的(de)无人机(jī),起飞前可能被拉(lā)住(zhù),但发(fā)动机是开着的(de)。发动机(jī)的推理与拉力方向相反,大小相(xiàng)等,所以平衡。一旦放(fàng)开,无人机就(jiù)开始加(jiā)速(sù)。他一开(kāi)始运动,空(kōng)气阻力和地面摩擦力也就(jiù)随之而来,而且无人机速度越(yuè)快,这些阻力也(yě)就(jiù)越大(dà)。

在(zài)水平(píng)飞行中,垂直向下的重力由一(yī)个垂直向上(shàng)的反作用(yòng)力平衡着。在一(yī)般的飞行(háng)器(qì)中,这个反作用力来自于(yú)机(jī)翼和可能的其他(tā)表面(miàn),但是(shì)也有可(kě)能以其他形式(shì)的力来提供。直升机靠它的旋翼支撑,悬停(tíng)的“鹞”式飞机靠推力来支持。如果(guǒ)向上的反作用力比重力小,飞行(háng)器就会向下加速(sù)。要停止这个加速运(yùn)动,就必须重(chóng)新产生反作用力(lì)来平衡重力。这可以带(dài)来平(píng)衡但(dàn)是不会阻止(zhǐ)下降。要做(zuò)到(dào)不再下(xià)降就必须施加更大(dà)的力使其(qí)减速。所有的加速或(huò)减速都会由飞行(háng)器的质量来反抗,也就(jiù)是惯性。

力的平衡

如果一个物体处(chù)于(yú)平衡状(zhuàng)态(tài),那么它就有保持(chí)这(zhè)种平衡(héng)状态的趋势。所有施(shī)加在平衡物体上的外(wài)力都是平衡的,不会有任何改变其状态或往(wǎng)任何方(fāng)向加速或(huò)减速的趋势存在(zài)。这些很容易理解,只要看看立在地面(miàn)上的东西,比如(rú)家具或者放在架(jià)子上火桌面上的飞机(jī)模型就知道了(le),它们不(bú)会(huì)移动。如(rú)果没有外界的干扰,比如说以某种方式(shì)使其加速,这些物(wù)体会一直保持其状态。

移动的物体(tǐ)也可能处于平衡状(zhuàng)态。一个在静止大(dà)气(qì)中(zhōng)做(zuò)水平直线飞行的(de)飞机,它既不加速也不减(jiǎn)速(sù),还不转(zhuǎn)弯(wān),这时它就处(chù)于平衡状态(tài),并且倾向于做持续(xù)稳定飞行。同样道(dào)理,如果这个飞行器以恒定的速(sù)度直线爬升(shēng),那么它(tā)也(yě)处于平衡状态。

即使(shǐ)高度增加了,它也仍然处于平衡状态。如果没(méi)有新的外力施加(jiā)在它上面,它将沿着(zhe)其爬升方向稳定地(dì)飞行。即使爬升是完全垂直的,只要它(tā)的速度(dù)保持稳定,并且方向(xiàng)不发生变化,它仍然是平衡的。同理,当它以固定(dìng)的速(sù)度俯冲时(shí)也是(shì)出于平衡状(zhuàng)态。平(píng)衡是事(shì)物一种非常普遍的(de)状态,不稳(wěn)定运(yùn)动状态与稳定运动或者静止状态的情况的不同之处就是多了加(jiā)速度。

力的(de)分解的原则应用(yòng)非常广泛。一个水平飞行的受力飞行(háng)器受4个互(hù)成(chéng)指(zhǐ)教的力(lì)作用:推理和反作用力阻力,重力和反作用力升力。这是由大量的(de)小力的合成和分解得到的,其中每(měi)个小(xiǎo)力都会对合力有贡献(xiàn)。

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