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航空(kōng)知识手册(cè)之九:标(biāo)准大气和空气动力学

 

国际标准大气

速度(用v表示)在标准公式(shì)中量纲用的是米/秒而不是千米/小(xiǎo)时。

要打(dǎ)破平衡,改变(biàn)速度大小或飞行方(fāng)向,需要力的变化来(lái)引起相应的加速度的变化。

牛顿第二运动(dòng)定律表(biǎo)明,要获得给定加速度,所施加的力的大小取决于无(wú)人机的(de)质量。质量(liàng)与(yǔ)重量不(bú)是(shì)一回事儿,尽管在平常的语言中,这两个(gè)词经常是(shì)指(zhǐ)同一件事。重量是由质量(liàng)而(ér)来(lái)的。如果一架无(wú)人机由(yóu)火箭带到

空(kōng)气从基本组成上看(kàn),可以认(rèn)为是由无数独立的(de)粒子所(suǒ)组成的(de),也就是所谓的分子(zǐ),它(tā)们都(dōu)处于激烈(liè)的运动中。气体的温度是(shì)衡量这种运动激烈程度的(de)尺(chǐ)度。温度(dù)低时分子的运动比温度高时(shí)要缓慢。可以说,运动的分子发(fā)生(shēng)碰撞对(duì)浸没在其中(zhōng)的(de)物体发生了气(qì)体压力(lì)。密度是衡量在空间里分(fèn)子数目多少(shǎo)的一个尺(chǐ)度。

在低(dī)速空气动力学中(zhōng),研究空气(qì)的分子组(zǔ)成是没有必要的。无人机飞行的(de)介质是流体,但这(zhè)并不(bú)是说空气是(shì)液体。液体是一(yī)种几乎不(bú)可压缩的(de)流体,而气体是可压缩的流体。无人机的速度远达不到要考(kǎo)虑空气可压缩性(xìng)的程度(dù)。这个结论(lùn)对于全(quán)尺寸的(de)高性能滑翔机,超轻型、轻(qīng)型和商用飞行器,乃至(zhì)中(zhōng)型的活塞运输机都是成立的。

可(kě)压缩性的问题只有在处理喷气动力(lì)飞机(jī)以及螺(luó)旋桨翼尖和直升机(jī)旋翼问题时才需考虑。对于(yú)低速的无人机来(lái)说(shuō),空气(qì)可以被认为是不可(kě)压缩的流体。即便如此,密度(dù)变化的意义还是(shì)很(hěn)重要的,它(tā)跟(gēn)高度和天气有关。在高海拔和(hé)高温环境中,空气密度比贴近海(hǎi)平台和低温环境中的密度要小。航空器驾驶员在高原或(huò)者(zhě)热带操作(zuò)飞机时会(huì)发现空气密度(dù)的确会对飞机(jī)造成一些影响,比如,要得到相(xiàng)同的升力就必(bì)须飞得更快一(yī)些(xiē)。发动机的螺(luó)旋桨也受到(dào)一些负面影响。空(kōng)气的(de)潮(cháo)湿程度(即湿度)也(yě)会(huì)影响密度。干燥的空气比潮湿的控(kòng)制(zhì)更(gèng)加稠(chóu)密。湿度(dù)因此也(yě)会对空气动力(lì)产生影响,并且有(yǒu)些驾(jià)驶员认(rèn)为这些影响是可(kě)以感受(shòu)到的(de),特别是对一(yī)些轻小的飞(fēi)机来说比较明(míng)显。热空(kōng)气因为(wéi)比周围的空(kōng)气更加潮湿而(ér)上升(shēng),所以滑翔机飞行员经常会利用上升的热(rè)气流进行空(kōng)中的滑翔。

无人机空(kōng)气动力学基(jī)础

速度(dù)与加(jiā)速度(dù)

速度(用v表示)在标(biāo)准(zhǔn)公式中量纲用的是米/秒而不是千米(mǐ)/小时(shí)。

要(yào)打(dǎ)破平衡,改变速度小大或飞行方向,需要(yào)力的变(biàn)化来引起相应(yīng)的(de)加速(sù)度的变(biàn)化。

牛顿第(dì)二运动定律表明,要获得给定加速度,所施加的力的大小取(qǔ)决于无人(rén)机的重量。质量与(yǔ)重量(liàng)不是一(yī)回事儿,尽管在平常(cháng)的语(yǔ)言中,这两个词经常是指(zhǐ)同(tóng)一件事。重(chóng)量是由质量而(ér)来的(de)。如果一架无(wú)人机由火箭带到火星上,在当地(dì)大气条(tiáo)件下测试的话(huà),那么(me)在(zài)大部分时间(jiān)的旅程中,它是没有重量的,并(bìng)且到达火星后(hòu)重(chóng)量(liàng)回避地球上(shàng)要轻,这(zhè)是由于(yú)火星较低的重力加(jiā)速度(dù)所(suǒ)造成(chéng)的。但是质(zhì)量在整个过程中是不会变化(huà)的,因(yīn)为无人机(jī)中(zhōng)的材(cái)料,如木(mù)头、金属、塑料等的数量是一样的。

一(yī)个具有很大质量的物体需(xū)要用(yòng)更(gèng)大的力去打破它(tā)的平衡(héng)才能达到给定的(de)加速度,而小质(zhì)量的(de)物(wù)体所需的力则小。这(zhè)样一种行之(zhī)有(yǒu)时是个(gè)优(yōu)点,比如,无(wú)人机(jī)受突风影响的时候,一个小质量(liàng)的(de)无人机在受到突风影响的时(shí)候可能会翻滚,静止加速到飞行速度,再从平(píng)飞改变为爬升,同事保持转弯,还要较大的力将(jiāng)无人机重新回到静止状态(tài)。无论什么时(shí)候由外(wài)力打破(pò)平衡,比如(rú)加速或减速(sù),或者方(fāng)向的变化,成为惯性的物体的质(zhì)量都(dōu)会阻止这种变化。

牛顿三大运动定(dìng)律(lǜ)

所(suǒ)有的空气动力(lì)学(xué)理(lǐ)论(lùn)都建(jiàn)立在运动定律之一。这(zhè)些最初由牛顿(dùn)创(chuàng)立的理论至今在工程领域的地(dì)位仍(réng)然不可动摇,前提(tí)是只要所讨论的物体的速度远小于光速,并且所研究(jiū)的固体和流体的密(mì)度和尺寸在通常的范围内。量子(zǐ)力学和相(xiàng)对论,虽(suī)然在高能物理和天文学中比牛顿力(lì)学更受(shòu)青睐,但是对于理解无人(rén)机空气动(dòng)力学来说完全没有必要掌握。

牛顿第三运动定律表明作用力(lì)和反(fǎn)作用力是大小相等方向相反(fǎn)的(de)。当一个(gè)飞行器(qì)静止在地面上(shàng)时,它的重力方向向下,与由(yóu)地面施加的大小相等方向相反的反作用力恰好构成平衡。

任何不平(píng)衡的力(lì)都会产生加(jiā)速度。一个在地(dì)面上(shàng)的无人机,起飞前可能被拉住,但发动(dòng)机是开着的。发动机(jī)的推理与拉力方向相反,大小相(xiàng)等,所以平衡。一旦放开,无人机就开始加速(sù)。他一开始运(yùn)动,空(kōng)气阻(zǔ)力和(hé)地面摩(mó)擦力(lì)也(yě)就随之而来,而且无人机(jī)速度越快,这些阻(zǔ)力也就(jiù)越(yuè)大。

在水平飞行中,垂直向下的重力由(yóu)一个(gè)垂直向上的反作用力平衡(héng)着。在一般的(de)飞行器中(zhōng),这个反作(zuò)用力来自于机翼和(hé)可能的其(qí)他表面,但(dàn)是也有可能以(yǐ)其他形(xíng)式的力来提供。直升机靠它的旋翼支撑,悬(xuán)停(tíng)的“鹞”式(shì)飞机靠推力来(lái)支持(chí)。如(rú)果向上的反作用力比重力小,飞行器就会向下加速。要停止这个加速运动,就必须重新产生反作用力来平衡重力。这(zhè)可以带来平衡但(dàn)是不(bú)会阻止下(xià)降。要做到不再下降就(jiù)必(bì)须施加更大的力使(shǐ)其(qí)减速。所有的加速或减(jiǎn)速都会由(yóu)飞行器的质(zhì)量来反(fǎn)抗,也(yě)就是惯性(xìng)。

力的平衡

如果一个物体处(chù)于平(píng)衡(héng)状态,那么它就有(yǒu)保持这种平衡状态的趋(qū)势。所有施(shī)加在平衡物体(tǐ)上(shàng)的外力都是平衡的,不会有(yǒu)任(rèn)何改变其状态或往任何方向加速或减速的趋势存在。这些很容易理解,只要看看立在地面上的(de)东(dōng)西,比如家具或(huò)者放在架子上(shàng)火(huǒ)桌(zhuō)面上的飞机模(mó)型(xíng)就知(zhī)道了,它们(men)不(bú)会移动。如果没(méi)有外界的干扰,比如说以某(mǒu)种方式使(shǐ)其加速,这些(xiē)物(wù)体会一(yī)直保持其状态。

移动的物(wù)体也(yě)可能处于平(píng)衡状态。一个在静(jìng)止(zhǐ)大(dà)气中(zhōng)做水平直线飞行的飞机,它既不加速也不减速(sù),还不转弯(wān),这时它就处于平(píng)衡状态,并且倾向于做持续稳定飞行(háng)。同样道理,如(rú)果这个飞行器以(yǐ)恒定的速度直线(xiàn)爬升,那么它也处于(yú)平衡状态。

即使高度增(zēng)加了(le),它也仍(réng)然处于平衡状态。如果没(méi)有新的外力施加在它上面,它将沿着其爬升方向稳定(dìng)地飞(fēi)行。即使爬升是完全垂(chuí)直的,只要它的速度保持稳(wěn)定,并且方向不发生变化,它仍然是平衡的。同理,当(dāng)它以固定的速度俯冲时(shí)也是出于(yú)平衡状态。平衡是事物(wù)一种非常普遍的状态,不(bú)稳定运动(dòng)状态与稳(wěn)定(dìng)运动(dòng)或者静止状(zhuàng)态的(de)情况的(de)不同之处(chù)就是多了加速(sù)度。

力的分(fèn)解的原则应用非常(cháng)广泛(fàn)。一个水平飞行的(de)受力飞行器受4个互成指教的力作用(yòng):推理和反作用力阻力(lì),重力和反(fǎn)作用力升力。这是由大量的小力的合成和分解得到的,其中每个小力都会对(duì)合(hé)力有贡献。

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