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2.1.7 升力与阻力

1.升力

无人机在飞行的过程中,机翼与空气产生相对运动,由伯努利方程与连续性定理可知,相对气流作用在机翼的上下表面产生压力。从风洞试验可以看出机翼表面各点的压力分布,机翼上各点的压力大小、方向各不相同,这些压力向量的总和就是机翼上的总空气动力,垂直于来流方向的分力称为升力,如图2-16所示。

图2-16 升力产生原因

2.迎角

翼弦与相对来流方向的夹角称作迎角。迎角的大小影响无人机升力的大小,即迎角不同,升力就不同。迎角是无人机产生空气动力的重要参数。迎角有正负之分,相对来流方向在翼弦之下与翼弦产生的夹角为正;相对来流方向在翼弦之上与翼弦产生的夹角为负;相对来流方向与翼弦重合时,迎角为0°。

3.阻力

只要是与无人机运动方向相反的力,就称为阻力。固定翼无人机阻力产生的原因比较好理解,但旋翼无人机产生的流场比较复杂,各部件间形成的阻力原因较多,容易混淆。这里以固定翼无人机为例,讲解无人机阻力产生的原因。固定翼无人机产生的阻力主要有以下几种。

(1)摩擦阻力。无人机机体和机翼表面有附面层,该层气流速度由零逐渐增大到和外层气流相同的速度。附面层内,气流越贴近飞机面膜越慢,这是因为这些流动的空气受到了飞机表面给它的向前的力。这些比较慢的空气,也要给飞机一个相反的作用力,这就是飞机的表面摩擦力。摩擦力的大小取决于空气的黏性、飞机表面状况,以及飞机与空气接触的表面积。空气黏度大,飞机表面越粗糙,飞机表面积越大,摩擦阻力越大。

(2)压差阻力。空气流过机翼时,在机翼前缘部分,会受到机翼的阻挡,流速变慢,压力增大;在机翼后缘处,由于气流分离形成湍流,压力减小。机翼前后形成压力差,产生阻力。这种由于前后压力差形成的阻力称为压差阻力。图2-17是各种形状物体的阻力。

图2-17 各种形状物体的阻力

(3)诱导阻力。机翼上除了压差阻力和摩擦阻力外,还会形成诱导阻力。因为升力的产生,机翼下表面的压力比上表面大,机翼长度有限,所以气流会向上表面流动。在翼尖部分形成旋涡,这种旋涡不断产生而又不断地向后流去,即形成了所谓的翼尖涡流。翼尖涡流使流过机翼的空气产生下洗速度,而向下倾斜形成下洗流。气流方向向下倾斜的角度叫作下洗角。由翼尖涡流产生的下洗速度,在两翼尖处最大,向中心逐渐减少,在中心处最小。这是因为空气有黏性,翼尖旋涡会带动它周围的空气一起旋转,越靠近内圈,旋转越快,越靠近外圈,旋转越慢。因此离翼尖越远,气流下洗速度越小,如图2-18所示。

图2-18 诱导阻力

(4)干扰阻力。干扰阻力就是无人机各部件组合到一起后由于气流的相对干扰而产生的一种额外阻力。干扰阻力和气流不同部件之间的相对位置有关。在设计时要妥善考虑并安排各部件的相对位置,必要时在这些部件之间加装整流罩,使连接处圆滑过渡,尽量减少部件之间的相互干扰。 BrR3zXI6JfGr9o1d+qDc0JPqogzx9pFxqEVVjEryQtYLtJ6Le8eWRIMTjjjZl8EH

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