2.1 空气动力学与飞行原理

2.1.1 大气的基本知识

无人机属于重于空气的航空器，在空间内飞行时，无人机的飞行状态离不开大气环境对无人机产生的影响。只有掌握飞行中大气环境的变化规律，想办法克服或减少飞行环境因素对无人机飞行产生的影响，才能保证无人机飞行的安全性和可靠性。在大气层内飞行的飞行器，称为航空器。人类的活动也离不开大气，大气中占比最多的是氮气，含量约78%；其次是氧气，含量约21%；还有少量的二氧化碳及稀有气体。大气随地球的转动而转动，也受重力的影响，越靠近地球表面，大气的密度越大。

按照大气层随高度变化的特点，将大气层分为五层，分别是：对流层、平流层、中间层、暖层（电离层）和散逸层。图2-1所示为大气分层结构。

1）对流层

对流层也叫变温层，是大气层中最低的一层。对流层底部紧贴地球表面，顶部在纬度不同地区，高度不同。在两极附近，对流层顶部高度为8~9km；在中纬度地区，对流层顶部高度为10~12km；在赤道附近，对流层顶部高度约为17km。对流层高度会随温度变化而变化，夏季时的顶部高度高于冬季时的顶部高度。

对流层的特点比较明显，在这一层大气中，有较强烈的垂直运动和水平运动的风。大气中的水蒸气及灰尘都集中于此，水蒸气随着冷热交替会产生雨、雪、霜、雹、云、雾等天气现象。对流层温度随高度增高而降低，空气质量约占整个大气中的四分之三。

2）平流层

平流层也叫同温层，是对流层的上一层。平流层底部边界是对流层的顶部边界，顶部高度大约为50km。对流层的特点为：温度先是保持不变，约为-56.5℃，向上升至20~32km处时，气温开始升高，直到升至0℃。平流层空气质量约占大气质量的四分之一，该层没有垂直方向的风，只有水平方向的风。由于没有水蒸气，平流层不会存在雨、雪、雹、云、雾等天气现象，飞行能见度高，气流平稳，空气阻力小，是航空器飞行的理想环境。

3）中间层

中间层是平流层的上一层。自50km对流层顶部开始至顶部高度约为85km。这一层空气质量约为大气重量的三千分之一，空气非常稀薄。中间层臭氧含量极低，特点表现为随着高度的增加，温度急剧下降，顶层温度可降低至-113.15℃~-83.15℃。中间层由于温度急剧下降，会产生非常强烈的垂直方向的风。

4）电离层

电离层也叫热层，是中间层的上一层。电离层自中间层顶部开始至顶部高度最低约为80km，最高可达800km。这一层空气极其稀薄，声音无法传播，由于大量吸收太阳的辐射，温度很高，也被称为暖层。电离层中的大气处于高度电离状态或完全电离状态，所以又称为电离层。大气处于高度电离状态会有很强的导电性，能吸收、发射、折射无线电电磁波，对于无线电通信有很大意义。

5）散逸层

散逸层又叫最外层，是大气层的最外一层。散逸层可向外一直延伸至2000km以外，这一层空气的特点为大气分子已几乎不受地球引力所吸引，不断向太空中逃散。散逸层温度非常高，可达数千摄氏度。图2-2所示为大气分布的物理性质。