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航空知识手(shǒu)册之九(jiǔ):标准大气和(hé)空气动力学

 

国际标准(zhǔn)大气

速度(用v表示)在标准(zhǔn)公(gōng)式中量纲(gāng)用的是米(mǐ)/秒(miǎo)而不是千(qiān)米(mǐ)/小时。

要打破平衡,改变速度(dù)大小或飞行方向,需要力的变化来引起相应的加速度的(de)变化。

牛(niú)顿第二(èr)运动定(dìng)律表(biǎo)明,要获得(dé)给定加速度,所施加的力的大小取(qǔ)决(jué)于(yú)无人机的质量。质量与重量不是一回事儿,尽管在平常的语言中,这两个词经常是指同一件事。重量是由质量而来的。如果一架无人机由(yóu)火箭带到

空气(qì)从基本组(zǔ)成上看,可以认为是由无数独立的(de)粒(lì)子所组成的(de),也就(jiù)是所谓的分子,它(tā)们(men)都处于激烈的运动中。气体(tǐ)的温(wēn)度是衡量这种(zhǒng)运动激烈程(chéng)度的尺度。温度低时(shí)分子(zǐ)的运动比温度高时要(yào)缓慢(màn)。可以说,运动的分子(zǐ)发生碰撞对浸没在其中的物体(tǐ)发生了气体压力。密(mì)度是衡量在空(kōng)间里分子数(shù)目多少的一个(gè)尺度。

在低速空气动力(lì)学中,研究(jiū)空气的分子组成是没有必要(yào)的(de)。无人机飞行的介(jiè)质是(shì)流体(tǐ),但这并不是说空气是液体。液体是一种几(jǐ)乎不可(kě)压缩的(de)流体,而气体是可压缩的流体(tǐ)。无人机的(de)速度远(yuǎn)达不到要考虑空气可压缩(suō)性的程度。这个(gè)结论对于(yú)全尺寸的高性能滑翔(xiáng)机,超轻型、轻型(xíng)和商(shāng)用飞行器,乃(nǎi)至中型的活塞运输机都是成立的。

可(kě)压缩性(xìng)的问题只有在处(chù)理喷气(qì)动(dòng)力飞机以及(jí)螺旋桨翼尖和直升机旋翼问题(tí)时(shí)才需(xū)考虑。对(duì)于低(dī)速的无(wú)人机来(lái)说(shuō),空气(qì)可(kě)以被认为是不可(kě)压缩的流体。即便如此,密度变化的意义还是很重要(yào)的,它跟高度和(hé)天气有关。在高海拔(bá)和(hé)高温环境中,空(kōng)气密(mì)度比贴近海(hǎi)平(píng)台和低(dī)温环境中的密(mì)度(dù)要(yào)小。航(háng)空器驾驶员在高原(yuán)或者热带操作飞机时会发现空(kōng)气密(mì)度(dù)的确会对飞机造成一些影响,比如,要得到(dào)相同的(de)升力就必须飞得(dé)更快一(yī)些。发动机(jī)的螺旋桨也受到一些负面(miàn)影(yǐng)响(xiǎng)。空(kōng)气的潮湿程度(即湿(shī)度)也(yě)会影响密(mì)度(dù)。干燥的空气比(bǐ)潮湿(shī)的控制更加稠密。湿(shī)度因(yīn)此也(yě)会对空气(qì)动力(lì)产(chǎn)生(shēng)影(yǐng)响,并且有(yǒu)些驾驶员认为这些影响是可以感受到的,特别是对一些轻小的飞机来说比较明显。热(rè)空气(qì)因为(wéi)比周(zhōu)围的空(kōng)气(qì)更加潮湿而上升,所以滑(huá)翔(xiáng)机飞行员经常会利(lì)用上升(shēng)的热气流进行空中的滑翔(xiáng)。

无人机空气动力学基础

速度与加速度

速度(用v表(biǎo)示)在标准(zhǔn)公(gōng)式中(zhōng)量纲用的(de)是米/秒而(ér)不是千米/小时(shí)。

要(yào)打破平衡(héng),改变(biàn)速度小(xiǎo)大或飞(fēi)行(háng)方向,需要力的变化来引起相应的加速度的变化。

牛顿第(dì)二运动(dòng)定律(lǜ)表明,要获(huò)得给定加(jiā)速(sù)度,所施加的力的(de)大小取决于无人机的重量(liàng)。质量与(yǔ)重量(liàng)不是一回事儿,尽管在(zài)平(píng)常的语言中(zhōng),这(zhè)两个词经常是指同一件事。重量(liàng)是由质量(liàng)而来的。如果一架(jià)无人机由火箭带到火星(xīng)上,在当(dāng)地(dì)大气条件下测(cè)试的话(huà),那么(me)在大(dà)部分时间的(de)旅程中,它(tā)是(shì)没有(yǒu)重量的,并且到达火星后重量回避地球上要轻,这是由于火星(xīng)较低的重力加速度所造成的。但是质量在整个过程(chéng)中是不会变化的,因为(wéi)无(wú)人(rén)机(jī)中的材(cái)料,如木(mù)头、金属、塑料(liào)等的数量是一样的。

一个具有(yǒu)很(hěn)大质量的物体需要用更大(dà)的力去打破它的平衡才能达到给定的加(jiā)速度,而小质量的物(wù)体所(suǒ)需的力则小。这样一种(zhǒng)行之有时是个(gè)优点,比如,无人机受(shòu)突风影响的时(shí)候,一个小质量的无人机在受(shòu)到突风影响的(de)时候可能会翻滚,静(jìng)止加速到飞行速度,再从平飞改变为爬升,同事保持转弯,还要较大(dà)的力将无(wú)人机重新回到静(jìng)止状态。无论什么时候由外力打(dǎ)破平衡,比如加速或减(jiǎn)速,或(huò)者方向的变(biàn)化,成为惯性的物体的质量都会阻止(zhǐ)这种变化(huà)。

牛顿三大运(yùn)动(dòng)定律

所有的(de)空气(qì)动力学理论都建立在运动定(dìng)律之一。这些最初由牛顿创立的理论至今(jīn)在工程领域的地位仍然不可动摇,前提是只要(yào)所讨论的物体的速度远小于光速,并且所(suǒ)研(yán)究(jiū)的(de)固(gù)体和流体的密(mì)度和尺(chǐ)寸(cùn)在通常的范围内。量(liàng)子力学和相对论,虽然在高能物理和天文学中(zhōng)比牛顿力学更(gèng)受青睐,但(dàn)是(shì)对于理解无人(rén)机(jī)空气(qì)动(dòng)力(lì)学来(lái)说完全没有必要掌握。

牛顿第三运动定律表(biǎo)明作用力和反(fǎn)作用力是大小相等方向相反(fǎn)的(de)。当一个飞行器(qì)静(jìng)止(zhǐ)在地面(miàn)上时,它的重力方(fāng)向向下,与由地面施加(jiā)的大(dà)小相等方向相反的反作(zuò)用力恰好构成平衡。

任何不平衡(héng)的(de)力都会产生加速度。一个(gè)在地面上的无(wú)人(rén)机,起飞前可(kě)能被拉住(zhù),但发动机是开着的。发(fā)动机的推理与拉(lā)力(lì)方向相反,大(dà)小相等,所以平衡。一旦放开,无人机就开始加速。他一开始运(yùn)动,空(kōng)气阻力(lì)和地面摩擦力也就随之(zhī)而来,而且无人机速度越(yuè)快,这些阻力(lì)也就越(yuè)大(dà)。

在水平飞行中,垂直向下的重力由一个(gè)垂直向上的反作用力平衡(héng)着。在(zài)一般(bān)的飞行器中,这(zhè)个反(fǎn)作用力(lì)来(lái)自(zì)于机翼和可能的其他(tā)表面,但是也(yě)有可能(néng)以其他形式的力来提供。直(zhí)升机靠它(tā)的旋翼支撑,悬(xuán)停的“鹞”式飞机靠推力(lì)来支持。如果(guǒ)向(xiàng)上的反(fǎn)作用力比重力小,飞行器就(jiù)会向下加速。要停止这个(gè)加速运(yùn)动,就(jiù)必(bì)须重新(xīn)产生反作(zuò)用力来平衡重(chóng)力。这可(kě)以带来平衡但是(shì)不会(huì)阻止下降(jiàng)。要做到不再下降就必须施加更(gèng)大的(de)力使其减(jiǎn)速。所有的加(jiā)速或减速(sù)都会由飞行器的质量来反抗,也就(jiù)是惯性。

力的平衡

如(rú)果一个物(wù)体处于平衡(héng)状态,那么它就有保持这种平衡状态的趋势。所有(yǒu)施加(jiā)在平衡(héng)物(wù)体上的外力都是平衡的(de),不(bú)会(huì)有任何(hé)改变其状态或往任何方(fāng)向(xiàng)加速或减速的趋势(shì)存在(zài)。这些很容易理解(jiě),只要看看立在地面(miàn)上(shàng)的(de)东西(xī),比如家具(jù)或者放在架子(zǐ)上火桌面上的(de)飞机模(mó)型就知道了,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(jiā)速,这些物体会一直保持其状态(tài)。

移动的物体也可(kě)能处于平衡状态。一(yī)个在静止大(dà)气中做水平直线飞行的飞机,它既不(bú)加速也不(bú)减速,还不转弯,这时它就处于平衡(héng)状态,并且倾向于做(zuò)持续稳定飞行(háng)。同样道理,如果这(zhè)个飞行器以恒定(dìng)的速(sù)度直线(xiàn)爬升,那么(me)它也处于平(píng)衡状态。

即使高度增加了,它也仍然处(chù)于平衡状态。如果没有新的(de)外力施加在(zài)它上面,它将沿着其(qí)爬升方向稳(wěn)定地(dì)飞行。即使爬升是完全(quán)垂直的,只(zhī)要它的速度保持稳定,并且方向不发生变(biàn)化,它(tā)仍(réng)然(rán)是平衡的。同理,当(dāng)它以固定的(de)速度俯冲时也是出于(yú)平衡状态(tài)。平衡是事(shì)物一种非常普遍的状态(tài),不稳(wěn)定运动状态(tài)与稳定运动或者静止(zhǐ)状态的情况的不同之(zhī)处就是多了加(jiā)速(sù)度。

力的(de)分(fèn)解的原则(zé)应用非常广泛。一个水平飞行的受力飞行器受4个互(hù)成指教的力作用:推理(lǐ)和(hé)反(fǎn)作用力阻(zǔ)力,重力(lì)和(hé)反作用力升力。这是由大量的小力的合(hé)成和分(fèn)解得到的,其中每个小力都会对合力(lì)有贡献。

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