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航空知(zhī)识(shí)手册(cè)之九:标准大气和空气动力学

 

国际标准大气

速度(用v表示)在标准(zhǔn)公式中量纲用(yòng)的是米/秒而不是千米/小时。

要(yào)打(dǎ)破平衡,改变速度大小或飞行方(fāng)向,需(xū)要力(lì)的变化来引起相应的加(jiā)速度的变化。

牛(niú)顿第(dì)二运动定律表(biǎo)明,要获(huò)得给定加速(sù)度,所施加的力的(de)大(dà)小取决(jué)于无(wú)人机的(de)质量。质(zhì)量与重量(liàng)不是(shì)一回事儿,尽管在平常的语言中,这(zhè)两个词经常是指同一件事。重量是由质量而来的。如果一架(jià)无人(rén)机(jī)由火箭(jiàn)带到

空气从基本组成上看,可以(yǐ)认为是由(yóu)无数独立的粒子所组成的,也就是所谓的分子,它们都处于激烈的运动中。气体(tǐ)的温度(dù)是衡量这种运动激烈程度(dù)的(de)尺度。温度低时分子的运动(dòng)比温度高时要缓慢。可以(yǐ)说,运(yùn)动的分子发生碰撞(zhuàng)对浸没在(zài)其中(zhōng)的(de)物体发生了气体压力。密度(dù)是衡量在空间(jiān)里分(fèn)子数目多少的一个尺度。

在低速(sù)空(kōng)气(qì)动力学中,研究空气的分子组(zǔ)成是(shì)没有必要的。无人(rén)机飞行的介质是流(liú)体,但这并(bìng)不是说空气是液体。液体是一种几乎不可压缩的流体,而气体是可(kě)压缩的流体。无人机的速度(dù)远达(dá)不到要考虑空(kōng)气(qì)可压缩性(xìng)的程(chéng)度。这个结论(lùn)对于全尺寸的高性能滑翔机,超轻型、轻型和商用飞行器,乃至中型的活塞运(yùn)输机都是成立的(de)。

可压缩性的问题只有(yǒu)在处(chù)理喷气动力飞(fēi)机以及(jí)螺旋桨翼尖(jiān)和直升机旋翼问题时才需考虑。对于低速(sù)的(de)无人机来说,空气(qì)可以被认为是(shì)不(bú)可(kě)压缩的流体。即便如此,密度变化的意(yì)义还是很(hěn)重要的,它(tā)跟高度和天气有(yǒu)关。在高(gāo)海拔和高(gāo)温环境中,空气(qì)密度(dù)比贴(tiē)近海平台(tái)和低温环境中的(de)密度要小(xiǎo)。航空器驾驶员在高原或者热带操作飞(fēi)机时会发(fā)现空气密度(dù)的确会对(duì)飞机(jī)造成一些影响,比如,要得(dé)到相同的升力就必须(xū)飞得更快一些。发动机的螺旋桨也受到一些负面影响。空气的(de)潮湿程度(即湿(shī)度)也会(huì)影响密度。干燥的空气比潮湿的(de)控制更(gèng)加稠密。湿(shī)度因此也会对空气动力产生影响,并且有些(xiē)驾驶员认为这些影响是可以(yǐ)感受到的(de),特(tè)别是对一(yī)些轻小的飞机(jī)来说比较(jiào)明显。热空气因为比周围的空气更加潮湿而上(shàng)升(shēng),所以滑翔机(jī)飞行员经常会利(lì)用上升的热气流进行空中的(de)滑翔。

无人机(jī)空气(qì)动(dòng)力学基础

速度(dù)与(yǔ)加速度

速度(用v表示)在(zài)标准公式中量纲用(yòng)的是米/秒而不是(shì)千米/小时。

要打破(pò)平衡,改变速度小(xiǎo)大或飞(fēi)行方向(xiàng),需要力的变化来引起相应(yīng)的加速度的变化。

牛(niú)顿第二运动定(dìng)律(lǜ)表明,要(yào)获得给定(dìng)加速(sù)度(dù),所施加的力的大小取决于无(wú)人机的重(chóng)量。质量与重(chóng)量不是一回事儿,尽管在平常的语(yǔ)言中,这两(liǎng)个(gè)词经常是指同一(yī)件事。重量(liàng)是由质量而(ér)来的。如果(guǒ)一架无人机由火箭带到(dào)火星上,在当地大气条件下测试的话,那么在大(dà)部分(fèn)时间的旅(lǚ)程中,它是没有重量的,并且到(dào)达火星后重量(liàng)回避(bì)地(dì)球(qiú)上要轻,这是(shì)由于火星较低的重力加(jiā)速度所(suǒ)造成的。但是质量在整个过程中是不会变化的,因为无人机中的材(cái)料,如木头、金属、塑(sù)料等的数量是一样的。

一个具(jù)有很大质量的物体需要用更大(dà)的(de)力去打破它的平衡才能达到(dào)给定(dìng)的加速度,而小质量的物体所需的力则小。这样一种行(háng)之有时是个优点(diǎn),比如,无(wú)人机受(shòu)突风影响的时候,一个小质量的无人(rén)机(jī)在(zài)受到突风影响的时(shí)候可能(néng)会翻滚(gǔn),静止加速(sù)到(dào)飞(fēi)行(háng)速(sù)度,再从(cóng)平飞(fēi)改(gǎi)变为爬升,同(tóng)事保持转弯(wān),还要较大(dà)的力将无人机重新回到静止状态。无(wú)论什么时候由外力(lì)打破平(píng)衡,比(bǐ)如(rú)加速或减速(sù),或者方向的变化,成为惯性的物(wù)体的质(zhì)量都会阻(zǔ)止这种变(biàn)化。

牛顿三大(dà)运动定律

所有的(de)空(kōng)气动力学理论都建立在运动定律之一(yī)。这些最(zuì)初由牛顿(dùn)创立的理论至今在工程领域的地位仍然不可(kě)动摇,前提是只(zhī)要所(suǒ)讨(tǎo)论的物体的速度远小于(yú)光(guāng)速(sù),并且所(suǒ)研究(jiū)的(de)固体(tǐ)和流体的密度(dù)和尺(chǐ)寸在通常(cháng)的范围内。量子力(lì)学(xué)和相对(duì)论,虽然在高(gāo)能物理(lǐ)和天(tiān)文学中比牛顿(dùn)力(lì)学更受青睐,但是对(duì)于理(lǐ)解无人机空气动(dòng)力学来说完全没有必要掌握。

牛顿第三运(yùn)动定(dìng)律表明作用力和反作用力(lì)是大小相(xiàng)等(děng)方向相(xiàng)反的。当一个飞行(háng)器静止在地面上时(shí),它的重力方向(xiàng)向(xiàng)下,与由地面施加的大小相等方向(xiàng)相反(fǎn)的反作(zuò)用(yòng)力恰好构成平衡。

任(rèn)何不平衡的(de)力都(dōu)会产生加速度。一个在(zài)地面上的(de)无人(rén)机,起(qǐ)飞(fēi)前(qián)可(kě)能被(bèi)拉住(zhù),但发动机是开着的。发动机的推理与拉(lā)力方向相反,大小相等,所以平衡。一旦放(fàng)开(kāi),无人机就开始(shǐ)加速(sù)。他一开始运动,空气(qì)阻力和地面摩擦力(lì)也就随之而来,而且无(wú)人机速度越快(kuài),这些阻力也就越大。

在水平飞行中,垂(chuí)直向下(xià)的重(chóng)力由一个垂(chuí)直向上的反作用(yòng)力平衡着。在一般的(de)飞行器中,这个反作用力(lì)来自于(yú)机翼和可能的其他(tā)表面,但(dàn)是也有可能以其他形式的(de)力来提供。直(zhí)升机靠它的旋翼支撑,悬停的“鹞”式飞机靠推力来支持(chí)。如果向(xiàng)上的反作用力(lì)比重力(lì)小,飞行器就会向下加速。要停止这个加速运动,就必(bì)须重新产生反作用力来平衡重力。这可以(yǐ)带来(lái)平衡但是(shì)不会阻(zǔ)止下降(jiàng)。要(yào)做到不再下(xià)降(jiàng)就必须(xū)施加更大的(de)力使其减速。所有的加速或减速都会由飞行器的质(zhì)量(liàng)来反(fǎn)抗,也就是惯(guàn)性。

力(lì)的(de)平衡

如果一个物体处于(yú)平衡状(zhuàng)态,那(nà)么它就有保持这种平衡状(zhuàng)态的(de)趋(qū)势。所有施(shī)加在(zài)平衡物体上的外力都是平衡的,不会有(yǒu)任何(hé)改变其状(zhuàng)态或往任何方向加(jiā)速或(huò)减(jiǎn)速的趋势(shì)存在。这(zhè)些(xiē)很容(róng)易理解,只要看看立在(zài)地(dì)面上的东西,比如家具(jù)或者放(fàng)在架子上火桌面上的飞机(jī)模型就知道了,它们不会移动。如果没有外界的干扰,比如说(shuō)以某种方式使其(qí)加速,这些物体会一直(zhí)保持(chí)其状态(tài)。

移(yí)动的(de)物体也可能处于平衡状态。一个在(zài)静止大气中做(zuò)水平直线飞行(háng)的飞(fēi)机,它既不(bú)加速也不减速,还不转弯(wān),这时(shí)它就(jiù)处于平衡状态(tài),并且倾向于做持续稳定飞行。同样道理,如(rú)果这个(gè)飞行器(qì)以恒定的速度直线爬(pá)升,那么它也处于(yú)平衡(héng)状态。

即使高度增加(jiā)了,它也仍然处于平衡状态。如(rú)果没有新的外力(lì)施加(jiā)在它上(shàng)面,它将沿着其爬升方(fāng)向稳定地飞行。即使爬升是(shì)完全(quán)垂直的,只要它的(de)速度(dù)保持稳定,并且方(fāng)向不发生(shēng)变化,它仍(réng)然是平衡的。同理,当(dāng)它以固定的速度俯冲时(shí)也是出于平衡状态。平衡是事物一种非常普遍的状态(tài),不(bú)稳定运动状(zhuàng)态与稳定运动或者静止状(zhuàng)态的情况的不同之(zhī)处就是多了加速度。

力的分解的原则应(yīng)用非常广泛。一(yī)个水(shuǐ)平飞(fēi)行的(de)受力飞(fēi)行器受4个互成指教(jiāo)的力作用:推理和反作(zuò)用力阻力,重力(lì)和反作用力升力。这(zhè)是由大量(liàng)的小(xiǎo)力的合(hé)成和分(fèn)解得到的,其中每个小(xiǎo)力都会对合力(lì)有贡献。

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