固定翼无人机与直升机的飞行原理较为相似,都是凭借着空气动力来实现飞行。机翼上产生升力的大小与机翼的剖面形状、粗糙程度等有着密切的关系。而无人机的升力和阻力产生于无人机在飞行时与周边空气之间产生的相对运动(相对气流)中。而影响固定翼无人机的升力和阻力的最基本因素包括:机翼的面积、机翼的形状等自身特点和气流的流速、空气的密度、机翼的迎角大小(机翼在气流中与水平面的夹角)等外部特点。
在其他条件不变的情况下,机翼面积越大,产生的升力越大,阻力也会随之增大;相反,在其他条件不变的情况下,机翼面积越小,产生的升力就会随之变小,阻力同样也会减小。因此,机翼面积对升力和阻力大小的影响呈现出一种正比的形式。
在其他条件不变的情况下,机翼的形状对升力和阻力也存在非常大的影响,飞机与机翼切面的粗糙程度和质量与机翼的相对厚度、最大厚度的位置、平面形状都或多或少有些影响。
飞机表面越光滑,产生的摩擦阻力就越小,阻力也会随之减小,反之就会越大。
机翼的薄厚指的是机翼中最大厚度与翼弦的比值,我们称之为相对厚度。小于12%的机翼称为薄翼形。机翼的相对厚度越大,飞行中与气流产生的升力与阻力也会越大。相对厚度越大,机翼上表面的弧度也越大,可以增大空气经过机翼上表面的流速,压力也会降低。而且在最低压力点的压力也会较小,分离点靠前,涡流区会相对变大,压差阻力就会大。
机翼平面形状对升力产生影响时,椭圆形机翼的阻力最小,矩形机翼和菱形机翼的阻力最大。总而言之,展弦比越大,阻力就越小。
升力和阻力是无人机在空气中的相对运动产生的。相对来流方向与翼弦所夹的角度叫作迎角。在飞行速度等其他条件相同时,得到最大升力的迎角,叫作临界迎角。在小于临界迎角范围内增大迎角,升力增大;超过临界迎角后,再增大迎角,升力反而减小,如图2-19所示。迎角增大,阻力也增大,迎角越大,阻力增加越多;超过临界迎角后,阻力急剧增大。
图2-19 迎角对升力的影响
飞行速度越大,阻力和升力越大。升力、阻力与飞行速度的平方成正比,如当飞机飞行速度增大到原来的两倍时,升力和阻力将达到原来的四倍。
在同一迎角下,机翼流线谱,即机翼周围的流管形状基本不随飞行速度而变。飞行速度越大,机翼上表面的气流速度增大得越多,压力降低得越多。与此同时,机翼下表面的气流速度减小得越多,压力也增大得越多。于是,机翼上、下表面的压力差增加得越多,升力和阻力也增加得越多。
空气密度大,空气动力就大,升力和阻力自然也大。因为空气密度增大,当空气流过机翼,速度发生变化时,动压变化也大,作用在机翼上表面的吸力和下表面的正压力也都增大。所以,机翼的升力和阻力随空气密度的增大而增大。试验证明,空气密度增大为原来的两倍,升力和阻力也增大为原来的两倍,即升力和阻力与空气密度成正比。空气密度的变化,对无人机的飞行影响是根本性的,如果空气密度严重降低,机翼在同样的速度下所产生的升力也急剧降低,无人机就很难飞行甚至会坠落。