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无人机重(chóng)要参数(shù)之(zhī)升(shēng)力

 

升力(lì)和阻力是无人机(jī)的两个很重(chóng)要的参数,是在与(yǔ)空气的(de)相对运动中(zhōng)(相对气流(liú))产生的(de)。升力来源于(yú)机翼上、下(xià)表面的气压差,此气压差是由气流(liú)的速度导致的。但机翼上、下表面气流的速度差的成因解释(shì)较为(wéi)复杂,下面结合空气动力特(tè)性(xìng)与基本规律(连续性定理(lǐ)、伯(bó)努利(lì)原理)介绍升力的产生。

(1)连续性定理。当流体连续(xù)不(bú)断而(ér)稳定地流过一个粗细不等的流管时,在管道粗的地(dì)方流速比较(jiào)慢,在管道细的地方流速比较快(kuài)。这是(shì)由于管中任何一部分的流体既不能中断也(yě)不能(néng)堆(duī)积,因此在同一(yī)时间,流进任一截(jié)面的流体质量和从另一截面流出的流体质量(liàng)应该相等。这就是质量守恒(héng)定律。

在单位时(shí)间(jiān)内,流过任一截面的流(liú)体体积等于流体流(liú)过该(gāi)截面的速度乘以该截面(miàn)的面积,而体积与流体密度(dù)相乘(chéng),即为单位时间(jiān)内流过该截面的流体质量。即:

m=pvA

式中 m——单位时间(jiān)内流过(guò)任一截(jié)面的流体质(zhì)量

P——流体密度,kg/m³

V——流体速度,m/s

A——所取截面面积,m²。

p1v1A1=p2v2A2=常数

这就是质量方程或连续方程(chéng)。它说(shuō)明通过流管各(gè)截面的(de)质量流量必须相等。对于不(bú)可压缩流体,p1=p2=常数,上式变为

v1A1=v2A2

可知,对于不(bú)可压缩流体来(lái)说(shuō),通过流管各横截面的体积流量(liàng)必须相等。上(shàng)式表明,流体流速的快慢与管道(dào)截(jié)面的大小成(chéng)反比,这就是“连续性定理”。即流管横截面变小,平均流(liú)速将增大(dà);反之,流管(guǎn)横(héng)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(píng)原的风大;在(zài)河床浅而窄的地(dì)段,河(hé)水(shuǐ)流(liú)得比(bǐ)较(jiào)快,在(zài)河床深(shēn)而宽的地段(duàn),河水流得比较慢,就是遵循了连续(xù)性定理。

(2)伯努利原理。伯努利原理是研究气流特性和(hé)空气动力之(zhī)所以(yǐ)产生(shēng)和变化的基本(běn)原理之一。1738年,瑞士物理学家(jiā)丹(dān)尼尔·伯努(nǔ)利(lì)阐明了流体在流动中的压力与速度(dù)之间的关系,后来科学界(jiè)称之为伯努利原理。即(jí)流体(tǐ)速度大的地方压力(lì)小,流(liú)速小的地方压力大,这就是流速与压(yā)力之间的关(guān)系,也(yě)就(jiù)是伯努利原理的基本定义。例如,在两张纸片中(zhōng)间吹气,两纸不是(shì)分开(kāi),而是相(xiàng)互靠(kào)拢(lǒng)。

伯努利(lì)原理是能量守(shǒu)恒定律在流体(tǐ)力(lì)学(空气流(liú)动过程)中的(de)推广应用。在低速流(liú)动空气中,参与转换的能量有两种:动能(néng)和压力能(néng)。气流(liú)一流(liú)动,就有动能产生,流(liú)动(dòng)速度越大,动能(néng)越(yuè)大。一定质量的空(kōng)气(qì),具有一定的压力(即(jí)静压),静压越大,压力(lì)能越(yuè)大。根(gēn)据能量(liàng)守恒(héng)定律,气流稳定流过一条流管时,如果没有外界能量的加入,也就没有能量的损失,气(qì)流流动过程中的总能量始终是不变的。即:动能+压力能=常(cháng)量。

但是流体动能与压力能是可以互相转换的,当流(liú)速变(biàn)小时(shí),动能减(jiǎn)小,压(yā)力能(néng)却(què)增(zēng)大,表现为压(yā)强增大(dà)。流速增大时,动能(néng)增加啊,压(yā)力(lì)能就要减(jiǎn)小,表(biǎo)现为压强减小。这就是流速(sù)减小,压(yā)强升高(gāo),流速增(zēng)大,压(yā)强降低的(de)根本(běn)原因(yīn)。

应当注意,以上定理在下述(shù)条件下才成立。

1)气流是连续的、稳定的。

2)流动中(zhōng)的空(kōng)气(qì)与外界没(méi)有能量交换(huàn)。

3)气(qì)流(liú)中没有摩擦,或摩擦很小,可以(yǐ)忽略不计。

4)空气(qì)的密度没有变(biàn)化,或变化很小,可认(rèn)为不变。

(3)升力的(de)产生。综合连续性定理和伯努利原理,可总结出如下结论:流管(guǎn)变细的地方,流速大(dà),压力小;反之,流(liú)管变(biàn)粗的地方,流速小,压力大。根据这(zhè)一结论(lùn),就(jiù)可初步说明(míng)机(jī)翼上产生(shēng)升力的原因了。

从(cóng)空气动力角(jiǎo)度看,飞机的几何外形(xíng)有机(jī)翼、机身和尾翼[分水平(píng)尾翼(简称平(píng)尾)和垂直尾翼(简称立尾)]等(děng)只要部件(jiàn)共同构成。飞机的升(shēng)力(lì)绝大(dà)部分是由机翼产生,尾翼通(tōng)常是产生(shēng)负升(shēng)力(lì),飞机(jī)其他(tā)部分产(chǎn)生(shēng)的升(shēng)力很小,一般(bān)不考(kǎo)虑。

空气流(liú)到(dào)机(jī)翼前缘(yuán),分成上、下两股气流,分别(bié)沿机翼(yì)上(shàng)、下(xià)表(biǎo)面流过(guò),在机翼后缘重新汇合向后(hòu)流去。机翼上表面比较凸出,流管较(jiào)细(xì),说明流速加快(kuài),压力降低。而机翼下表面,气流受阻挡作用,流管变粗(cū),流速减慢(màn),压力增(zēng)大。这里就引用到了上述两个定理(lǐ)。于是机翼上(shàng)、下(xià)表面出现了压力差,垂直于(yú)相对(duì)气流方向(xiàng)的(de)压力差的总和就是机翼的(de)升(shēng)力。这样(yàng),重于空气的(de)飞(fēi)机借(jiè)助机翼上获得的升力克服(fú)自身因地球引力形成的重力(lì),从而翱翔在蓝天上(shàng)了。

机(jī)翼升(shēng)力的产生(shēng)主要靠上表(biǎo)面吸力(lì)的作(zuò)用,而不(bú)是靠下表面(miàn)正压力(lì)的作用,一般机翼(yì)上表面(miàn)形成(chéng)的吸力占(zhàn)总(zǒng)升力的60%~80%,下表面的正压(yā)形(xíng)成的升力只(zhī)占总升力的20%~40%。 

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