升力和阻力是无人机的两个很(hěn)重要的参数,是(shì)在与空气的(de)相对运动中(相对气流)产生的。升力来源于机(jī)翼上、下表面的气压差,此气压(yā)差是由气流的速度导致的。但机(jī)翼上、下表(biǎo)面气流(liú)的速度(dù)差的成因(yīn)解(jiě)释较(jiào)为复杂,下(xià)面结合空气动力(lì)特性与基(jī)本规律(连续性定理、伯努利原理)介(jiè)绍升力的产生。
(1)连(lián)续性定理。当流体连续不断(duàn)而(ér)稳定地流过一个粗细不等(děng)的流(liú)管时,在管道(dào)粗的地方流速比较慢,在管道细的地方(fāng)流(liú)速比较快。这是由于管(guǎn)中任何一(yī)部分的(de)流体既(jì)不(bú)能中(zhōng)断也不能(néng)堆(duī)积,因此在同一时(shí)间,流进(jìn)任(rèn)一截面的流体质量和从另一截面流出的流(liú)体质量应(yīng)该(gāi)相等。这就是质量守(shǒu)恒定律。
在单(dān)位时间内(nèi),流过(guò)任一截面(miàn)的流(liú)体体积等于流体流过该截面的速度乘以该截面的面积,而体积与(yǔ)流(liú)体密(mì)度相乘,即为单位时间内流过(guò)该截(jié)面(miàn)的(de)流体质量。即:
m=pvA
式中 m——单位时间内流过任一截面的流体(tǐ)质(zhì)量
P——流体密度,kg/m³
V——流(liú)体速度,m/s
A——所取截面面积,m²。
p1v1A1=p2v2A2=常数
这就是质量方程(chéng)或连续方程。它说明通过流管各截面的质量流量必须(xū)相等。对于不可压缩流体(tǐ),p1=p2=常(cháng)数,上(shàng)式变(biàn)为
v1A1=v2A2
可(kě)知(zhī),对于不可压缩流体来说,通过流管各横截面的体积流(liú)量(liàng)必须相等。上式表明,流体流速的快慢与管道截面的大小成反比,这(zhè)就是“连续性定理”。即流管横截(jié)面变小,平(píng)均流(liú)速将增大;反之,流管横(héng)截面(miàn)变大,平(píng)均流速将(jiāng)变小。日(rì)常(cháng)所见的山谷里的风通(tōng)常比(bǐ)开阔平原的(de)风(fēng)大;在河床浅而窄的(de)地(dì)段(duàn),河水流得比较(jiào)快(kuài),在河床深而(ér)宽的地段,河(hé)水流得比较慢,就是遵循了连(lián)续性(xìng)定(dìng)理。
(2)伯努利原理。伯努利原理是(shì)研究气流(liú)特性和(hé)空气(qì)动力之(zhī)所以产生和(hé)变化的基本原理之一。1738年,瑞士物理学家丹尼尔·伯努利阐明了流体在流动中(zhōng)的压力与速度之间的(de)关系,后来科学界称之(zhī)为伯努(nǔ)利原理。即流体速(sù)度大的(de)地方压力小,流速(sù)小的地(dì)方压力大,这就(jiù)是(shì)流速与压力之间的关(guān)系,也就是(shì)伯努(nǔ)利(lì)原理的(de)基(jī)本(běn)定义。例(lì)如,在两(liǎng)张纸(zhǐ)片中间吹气,两纸不是分开,而是(shì)相互靠(kào)拢。
伯努(nǔ)利原理是能量守恒定(dìng)律在流体力学(空气流(liú)动过程)中的(de)推广应用(yòng)。在(zài)低(dī)速流动(dòng)空气(qì)中,参与转换的能量有两种(zhǒng):动(dòng)能和压力能。气流一流(liú)动,就有动能产(chǎn)生,流动速度越大(dà),动(dòng)能(néng)越大。一定质(zhì)量的空(kōng)气,具有一定的压力(即静压),静压越大(dà),压力能越大。根据能量守恒定律,气流稳定流过一条(tiáo)流管时(shí),如果没有外界能量的加入,也就没有能(néng)量的损失,气流流动过(guò)程中的(de)总能(néng)量始终是不变(biàn)的。即:动能+压力能=常量。
但(dàn)是流体动(dòng)能与(yǔ)压力能是可(kě)以互相转换的,当(dāng)流速变小时,动能减小,压力(lì)能却增大,表现为压(yā)强增大(dà)。流(liú)速增大时,动(dòng)能(néng)增加(jiā)啊,压(yā)力能就要减(jiǎn)小,表现为压强减小。这就是流速减小,压(yā)强升高,流速增大,压强降(jiàng)低的(de)根本原因。
应当注意,以上定(dìng)理在下述(shù)条件下才成立。
1)气流是连续的、稳定的。
2)流动中的(de)空气(qì)与(yǔ)外界没有能量交换。
3)气(qì)流中没(méi)有摩(mó)擦,或摩擦很小,可以忽略(luè)不计(jì)。
4)空气的密度没有(yǒu)变化,或变(biàn)化很小,可认为不变。
(3)升力的产生(shēng)。综(zōng)合连续性定理和伯努利原理(lǐ),可总结出如下结论:流管变细(xì)的地方,流(liú)速大,压(yā)力(lì)小;反之,流(liú)管(guǎn)变粗的地方,流速小,压力大。根(gēn)据这一结论(lùn),就(jiù)可初步说明机翼(yì)上产生升力的原因了。
从空气动力角度(dù)看,飞机的几(jǐ)何外形有机翼、机(jī)身和尾翼[分水平尾翼(yì)(简称平(píng)尾(wěi))和垂直尾翼(简称立(lì)尾)]等只要部件(jiàn)共同构成。飞机的(de)升力(lì)绝大部分是由机(jī)翼(yì)产(chǎn)生(shēng),尾翼通常是产(chǎn)生负升力,飞机(jī)其他部分产生(shēng)的升力很小,一般(bān)不考虑。
空气流到机翼前缘,分成上、下两股气流,分(fèn)别(bié)沿机翼上、下表面流(liú)过,在(zài)机翼后缘重新汇合向后流去。机(jī)翼上表面比较凸出,流管较细(xì),说明流速(sù)加快(kuài),压力降(jiàng)低。而机翼下表面(miàn),气流受阻挡作用,流(liú)管变(biàn)粗(cū),流(liú)速减慢,压(yā)力增大。这(zhè)里就引用到(dào)了上(shàng)述两(liǎng)个定(dìng)理。于(yú)是(shì)机翼上、下表(biǎo)面出现了(le)压力差,垂直于相对气流(liú)方向(xiàng)的压(yā)力(lì)差的总和就是机翼的(de)升力。这样,重于空气的飞机借助机(jī)翼上(shàng)获(huò)得的升力克(kè)服自身因地球引力(lì)形成的重力,从而翱(áo)翔在蓝天上了。
机翼升力的产生主要靠上(shàng)表(biǎo)面吸力(lì)的(de)作用,而不是靠下表面正压力的(de)作用,一般机(jī)翼上(shàng)表面形成的吸力占总升(shēng)力的60%~80%,下表面的(de)正压形(xíng)成(chéng)的升(shēng)力只占总升力(lì)的20%~40%。

咨询航拍服务(wù)可加昆明俊鹰无(wú)人机飞控手老鹰的微(wēi)信(xìn)laoyingfly |