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无人(rén)机重要参数(shù)之(zhī)升力(lì)

 

升(shēng)力和阻力是无人机的两(liǎng)个很重要的参数,是(shì)在(zài)与空气的相对运动中(相对气流(liú))产生的。升力来(lái)源于机翼上、下表面的气(qì)压差(chà),此气压差是由气流的速(sù)度(dù)导致的。但机翼上、下表(biǎo)面气流的速度差的成因解释较为复杂,下面结合空气动力特性(xìng)与基(jī)本规律(连续(xù)性定理、伯(bó)努(nǔ)利(lì)原理)介(jiè)绍升力(lì)的产生。

(1)连续性定(dìng)理。当(dāng)流体连续不断而稳定地流过一个粗细不(bú)等的流管时,在管道粗(cū)的地(dì)方流(liú)速比较(jiào)慢,在管(guǎn)道细的地方流速比较快(kuài)。这是由于(yú)管中任何一部分的流体既不能(néng)中断也不(bú)能堆积,因此(cǐ)在同一(yī)时间,流进任(rèn)一(yī)截面(miàn)的流(liú)体质量和从另(lìng)一截面流出的流体质量应该(gāi)相(xiàng)等。这(zhè)就是质量守恒定(dìng)律。

在单位(wèi)时间(jiān)内(nèi),流(liú)过任一截面的流体体积等于流体流过该截面的速度乘以该(gāi)截面的面积,而体积与(yǔ)流体(tǐ)密度相乘,即为单位时间内流过该截面的流体质量。即:

m=pvA

式中(zhōng) m——单位(wèi)时间内流过任(rèn)一截面的(de)流体质量

P——流(liú)体密度,kg/m³

V——流体速度,m/s

A——所取截(jié)面面积,m²。

p1v1A1=p2v2A2=常数

这(zhè)就(jiù)是质量方程或连续方程。它(tā)说明通过流管各截面的质量流量必须相等。对(duì)于不可压缩流体,p1=p2=常数,上式(shì)变为

v1A1=v2A2

可知,对于不可压缩流(liú)体来说(shuō),通过流管(guǎn)各横截(jié)面(miàn)的体(tǐ)积流量必须(xū)相等(děng)。上式表(biǎo)明(míng),流体流速的(de)快慢与管道截面的大小(xiǎo)成反比,这就是“连续性定理”。即流管横截面变(biàn)小,平均流速将增大;反之,流管横截面变(biàn)大(dà),平均流速将变小。日常所见的山谷里的风通常比开阔平原的(de)风大;在河床浅而窄的(de)地段,河水流得比(bǐ)较快,在河床(chuáng)深而宽的地段,河(hé)水流(liú)得比较慢,就(jiù)是(shì)遵循(xún)了(le)连续性定理。

(2)伯努(nǔ)利(lì)原理(lǐ)。伯努利原理(lǐ)是研究气流特性和空气动力之所以产生和变化的(de)基本(běn)原理(lǐ)之一(yī)。1738年,瑞士物理学家(jiā)丹尼尔(ěr)·伯努利阐明(míng)了流体在流动(dòng)中的压(yā)力(lì)与速度之间的关系,后来科学(xué)界称之为伯努利原理(lǐ)。即流体速度大的地方压力小,流(liú)速小的地方压力大,这就是(shì)流速与压力(lì)之间的关(guān)系,也就是伯(bó)努利原理的基本定义。例如(rú),在(zài)两张纸片中(zhōng)间吹气,两纸不是分开(kāi),而是相互(hù)靠拢。

伯(bó)努利原理(lǐ)是能量(liàng)守恒定律在流(liú)体力学(空(kōng)气流动过程(chéng))中的推广应(yīng)用。在低速流(liú)动(dòng)空气(qì)中,参与(yǔ)转换的能(néng)量(liàng)有两种:动(dòng)能和压力能。气流一流动,就有动能产生,流动速度越大,动能越(yuè)大。一定质量的空气,具有一(yī)定的压力(lì)(即静压),静压(yā)越大,压力能越大。根据能量守恒定律,气(qì)流稳定流过一条(tiáo)流管时,如果没有(yǒu)外界(jiè)能量(liàng)的加入(rù),也就(jiù)没(méi)有能量(liàng)的损失,气(qì)流(liú)流动过程中的总能量始(shǐ)终是不变的。即:动能+压力(lì)能=常量。

但是流体(tǐ)动能与压力能是可以互相(xiàng)转换的,当流速变小时,动能减小,压力能(néng)却增大,表现为压强增大。流速增大时,动能(néng)增加啊(ā),压力能就(jiù)要减小(xiǎo),表现为压强减小(xiǎo)。这就是(shì)流(liú)速减小,压(yā)强升高,流速增大,压强(qiáng)降低的根本原因。

应当(dāng)注意(yì),以上定理在下述条件下才(cái)成立(lì)。

1)气流是连续(xù)的、稳(wěn)定(dìng)的。

2)流动中的(de)空气与(yǔ)外界没有(yǒu)能量交换(huàn)。

3)气流中没(méi)有摩擦,或摩(mó)擦(cā)很小,可以忽略不计。

4)空气的(de)密(mì)度没有变(biàn)化,或变化很小(xiǎo),可认为不变。

(3)升(shēng)力(lì)的(de)产生(shēng)。综合连续性定(dìng)理和伯努利原理,可总结出(chū)如(rú)下结论:流管变细的地方,流(liú)速大,压力小;反之,流管变粗的(de)地方,流速小,压力大(dà)。根据这(zhè)一结论,就可初步(bù)说明机翼上(shàng)产生升力的原因了。

从空气(qì)动(dòng)力角度看,飞机(jī)的几何外形有机翼、机身和尾翼[分水(shuǐ)平尾翼(简称平尾(wěi))和垂直尾翼(简称立尾)]等只要部件共同构成。飞机的(de)升力(lì)绝大部分是由机翼产生,尾翼通常是产生负升力,飞机其(qí)他部分产生的升力很小,一般不考(kǎo)虑。

空(kōng)气流到机翼前缘,分成(chéng)上、下(xià)两股(gǔ)气流(liú),分别沿机翼(yì)上、下表面流过,在机翼(yì)后(hòu)缘重新汇(huì)合(hé)向后流去。机翼上表面比较凸出,流管较细,说明(míng)流速加快,压力降低。而机翼下表面,气流受阻挡作用,流管(guǎn)变粗(cū),流速减慢(màn),压力增大。这里就(jiù)引用到(dào)了上述两个定理。于是机翼上、下表面出现了压(yā)力差,垂直(zhí)于相对气流方(fāng)向(xiàng)的(de)压(yā)力差(chà)的(de)总(zǒng)和就是(shì)机翼的升(shēng)力(lì)。这样(yàng),重(chóng)于空气的飞机借助机翼上(shàng)获得的升力克服自身因地球引(yǐn)力形成的重力,从(cóng)而翱翔在蓝天(tiān)上了。

机翼升力的产生主要靠上表面(miàn)吸力的作用,而不是靠(kào)下表面正(zhèng)压力的作(zuò)用,一般机(jī)翼上表面(miàn)形成的吸力占总(zǒng)升力的60%~80%,下表面(miàn)的正压形成的升力(lì)只(zhī)占总升力的20%~40% 

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