《無人機(jī)飛行原理》教案 項目2 固定翼無人機(jī)飛行原理

課時教學(xué)教案課程:無人機(jī)飛行原理任課教師:XXX授課題目固定翼無人機(jī)飛行原理（1）教學(xué)形式共課時授課班級授課日期教學(xué)目的1、翼型的定義及分類。2、機(jī)翼的平面形狀。3、迎角的基本概念。4、具有利用網(wǎng)絡(luò)等資源，進(jìn)一步獲取新知識的能力。重點1、翼型的定義及分類。2、機(jī)翼的平面形狀。3、迎角的基本概念。難點1、后掠翼的定義、優(yōu)缺點。2、迎角的重要性。課堂結(jié)構(gòu)及時間分配復(fù)習(xí)引入………………..……（5分鐘）教學(xué)內(nèi)容固定翼無人機(jī)的氣動結(jié)構(gòu)……………..（30分鐘）機(jī)翼平面種類及參數(shù)…………………..（30分鐘）機(jī)翼剖面種類及參數(shù)…………………...（30分鐘）機(jī)翼的流線譜與迎角………………..….（20分鐘）課堂小結(jié)………………….…（5分鐘）課后體會教學(xué)過程及教學(xué)內(nèi)容[復(fù)習(xí)引入]機(jī)翼是固定翼無人機(jī)最主要的機(jī)體結(jié)構(gòu)，是產(chǎn)生升力的主要裝置。所以機(jī)翼的形狀及參數(shù)會直接影響升力的產(chǎn)生及無人機(jī)的飛行性能。[教學(xué)內(nèi)容]固定翼無人機(jī)的氣動結(jié)構(gòu)固定翼無人機(jī)的氣動部件包括機(jī)翼（左機(jī)翼和右機(jī)翼）、機(jī)身、尾翼、起落架等。其中尾翼包括垂直尾翼（垂直安定面和方向舵）和水平尾翼（水平安定面和升降舵），副翼包括左副翼和右副翼，分別布置在機(jī)翼后緣外側(cè)。在所有的氣動部件中，機(jī)翼是產(chǎn)生升力的主要部件，也是最主要的氣動部件；尾翼是輔助氣動部件，主要用于保證飛行的穩(wěn)定性和操縱性。二、機(jī)翼的平面種類及參數(shù)1.機(jī)翼的平面種類機(jī)翼的平面形狀常見的有三種，分別是平直翼型、后掠翼型和三角翼型。根據(jù)使用場景不同，平直翼又分為矩形翼﹑梯形翼和橢圓翼。（1）平直翼：平直翼是指無明顯后掠角的機(jī)翼。一般指后掠角小于20°,平面形狀呈矩形、梯形或半橢圓形的機(jī)翼。（2）后掠翼：指前緣和后緣均向后掠的機(jī)翼。表征機(jī)翼后掠程度的指標(biāo)是后掠角，即機(jī)翼前緣與水平線的夾角。后掠翼的氣動特點是可增大機(jī)翼的臨界馬赫數(shù)，推遲激波的到來，并減小超聲速飛行時的阻力。（3）三角翼：指機(jī)翼前緣后掠、后緣基本平直,半翼俯視平面形狀為三角形的機(jī)翼。這種機(jī)翼具有后掠角大、展弦比小和相對厚度小等特點,主要優(yōu)點是機(jī)翼重量輕、剛性好、容積大等,可分為有平尾式和無平尾式兩類。低速飛行無人機(jī)一般采用矩形翼和梯形翼,高速飛行無人機(jī)一般采用后掠翼和三角翼。機(jī)翼的平面參數(shù)以后掠翼為例來介紹機(jī)翼的平面參數(shù)。（1）機(jī)翼面積：機(jī)翼在水平面內(nèi)的投影面積。（2）根尖比：翼根翼弦與翼尖翼弦的比值。（3）翼展：機(jī)翼左右翼尖的距離。（4）幾何平均翼弦：機(jī)翼的投影面積與翼展的比值。（5）展弦比：機(jī)翼的翼展與平均翼弦的比（6）后掠角：機(jī)翼與機(jī)身軸線的垂線之間的夾角。三、機(jī)翼的剖面種類及參數(shù)1.種類機(jī)翼的剖面是從平行于機(jī)翼的對稱面截得的機(jī)翼截面，通常稱為翼型。翼型的幾何形狀是機(jī)翼的基本幾何特性之一。翼型的氣動特性直接影響到機(jī)翼及整個固定翼無人機(jī)的氣動特性,在空氣動力學(xué)理論和飛行器設(shè)計中具有重要的地位,常見的翼型有對稱翼型、雙凸翼型、平凸翼型、S形翼型、特種翼型等。（1）對稱翼型：剖面結(jié)構(gòu)是上弧線、下弧線分別對稱,主要用于固定翼無人機(jī)的尾翼翼型，也可用于超聲速飛行器﹑低速特技固定翼無人機(jī)主翼﹑高性能直升機(jī)旋翼。（2）雙凸翼型：剖面結(jié)構(gòu)是上、下弧線都是外凸的，但上弧線的彎度比下弧線大；主要在高空、高速飛行的固定翼無人機(jī)上使用；至今大部分固定翼無人機(jī)的主翼多使用這種翼型；氣動性能優(yōu)越，便于加工，結(jié)構(gòu)特性好。（3）平凸翼型：剖面結(jié)構(gòu)是上弧線凸出而下弧線除前緣外均為直線，主要用于常規(guī)布局且飛行速度適中的固定翼無人機(jī)，也可用于一般固定翼無人機(jī)的水平尾翼翼型；這種機(jī)翼特性與雙凸翼型特性比較接近，但性能略低于雙凸翼型。（4）凹凸翼型：上弧線凸出而下弧線凹進(jìn)的翼型；不適合于較大機(jī)動的固定翼無人機(jī)及高速飛行的飛行器；應(yīng)用最早，但飛行阻力大，失速迎角較小，目前已經(jīng)較少應(yīng)用。（5）S形翼型：因中弧線像是橫放的S形而得名，常見用在三角翼無人機(jī)上。這種機(jī)翼特性就是安定性較好，可用在無尾翼固定翼無人機(jī)上。（6）特種翼型：特殊剖面結(jié)構(gòu)的翼型,為了滿足某種性能指標(biāo)或要求而設(shè)計的。一般常在航模上應(yīng)用。2.翼型幾何參數(shù)（1）中弧線：和翼形上表面和下表面等距離的曲線。（2）前、后緣：中弧線與上表面和下表面的外形線在前端的交點稱為前緣在后端的交點稱為后緣。（3）幾何弦（弦線）：前、后緣的連線。但對于下表面為直線的翼型，也將此直線定義為幾何弦。（4）弦長——翼型前、后緣點之間的距離，用b表示。（5）彎度：中弧線和弦線的間隔，用f表示。（6）厚度——與中弧線垂直方向測量的上表面和下表面的距離，用c表示。（7）后緣角——翼型上、下表面在后緣處切線間的夾角。[課堂小結(jié)]無人機(jī)的機(jī)翼為什么能產(chǎn)生升力，其中重要的一點是機(jī)翼這種特殊的形狀，包括平面形狀和剖面形狀，所以學(xué)習(xí)機(jī)翼的翼型參數(shù)至關(guān)重要。另外深入了解氣流流過這種翼型表面的流線譜特性是學(xué)習(xí)產(chǎn)生升力的關(guān)鍵。[課后體會]本節(jié)課內(nèi)容相對較難，對于機(jī)翼形狀與參數(shù)部分，首先我們要會判定常用無人機(jī)的機(jī)翼屬于哪一類，其主要優(yōu)勢是什么，同時盡可能記住一些重要的機(jī)翼參數(shù)。對于機(jī)翼的流線譜這部分是關(guān)鍵，是下一節(jié)課學(xué)習(xí)機(jī)翼產(chǎn)生升力的關(guān)鍵，所以一定會分析煙風(fēng)洞實驗呈現(xiàn)的流線譜特性，也就是先從實驗現(xiàn)象入手有部分了解。最后關(guān)于迎角是一個關(guān)鍵性的概念，在這部分大家要記住的就是迎角的定義以及知道正負(fù)迎角的存在。說明本節(jié)重點及難點。給出無人機(jī)實例，討論其機(jī)翼的平面形狀深入淺出討論：后掠翼的優(yōu)缺點。討論：大展弦比無人機(jī)的優(yōu)勢分享飛機(jī)翼型發(fā)展史機(jī)翼設(shè)計始終以獲得最高升阻比為終極目標(biāo)根據(jù)煙風(fēng)洞實驗詳細(xì)分析氣流流過機(jī)翼表面流線譜的特點及影響因素有哪些課時教學(xué)教案課程:無人機(jī)飛行原理任課教師:XXX授課題目固定翼無人機(jī)的升力教學(xué)形式雙師共課時授課班級授課日期教學(xué)目的1、機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理。2、升力的向量表示法。3、升力公式及影響升力大小的因素。4、具有利用網(wǎng)絡(luò)等資源，進(jìn)一步獲取新知識的能力。重點1、機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理。2、升力公式及影響升力大小的因素。難點1、升力的向量表示法。2、利用連續(xù)性定理和伯努利定理解釋升力產(chǎn)生的原理。課堂結(jié)構(gòu)及時間分配復(fù)習(xí)引入………………..……（5分鐘）教學(xué)內(nèi)容機(jī)翼升力產(chǎn)生的原理………………..（40分鐘）影響升力的因素………………………...（40分鐘）課堂小結(jié)………………….…（5分鐘）課后體會i教學(xué)過程及教學(xué)內(nèi)容[復(fù)習(xí)引入]引入：無人機(jī)的特性及對飛行的影響。相對氣流的方向。大氣飛行環(huán)境對無人機(jī)的影響：對無人機(jī)的空氣動力性能、發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)、操縱人員都有非常重要的影響。[教學(xué)內(nèi)容]固定翼無人機(jī)的升力固定翼無人機(jī)在空中飛行時，其機(jī)體各部分產(chǎn)生的空氣動力的總和稱為固定翼無人機(jī)的空氣總動力，通常用R表示。一般情況下，固定翼無人機(jī)的空氣總動力是向上并向后傾斜的，根據(jù)其所起的作用，固定翼無人機(jī)的空氣總動力可以分解為垂直于飛行速度方向和平行于飛行速度方向的兩個分力。垂直于飛行速度方向的分力叫升力，用L表示；平行于飛行速度方向的分力叫阻力，用D表示。一、升力產(chǎn)生的原理機(jī)翼的壓力分布迎角對流線譜的影響：當(dāng)迎角由小變大時，機(jī)翼上表面的流管變得更細(xì)，下表面則相反，流管較原來變粗，甚至比前方流管還粗，機(jī)翼后緣渦流更多。升力的產(chǎn)生機(jī)翼的壓力分布（1）壓力分布表示——矢量表示法當(dāng)機(jī)翼表面壓強(qiáng)低于大氣壓，稱為吸力。當(dāng)機(jī)翼表面壓強(qiáng)高于大氣壓，稱為壓力。（2）為了形象地說明機(jī)翼表面各點的壓力大小，可用矢量表示法，畫出機(jī)翼的壓力分布圖。將測出的翼面各點的壓力與大氣壓力之差，用向量畫在翼面的垂直線上。（3）當(dāng)空氣流過機(jī)翼時，氣流會沿上下表面分開，根據(jù)伯努利原理，上表面氣流速度快，對機(jī)翼的壓力較小，下表面氣流速度慢，對機(jī)翼壓力較大，這就產(chǎn)生了一個壓力差，也就是向上的升力。4.升力公式——升力系數(shù)﹔——飛行動壓;S——機(jī)翼的面積。根據(jù)升力公式可分析，固定翼無人機(jī)的升力與升力系數(shù)、飛行動壓及機(jī)翼面積成正比。影響升力系數(shù)的因素有機(jī)翼形狀、機(jī)翼面積、飛行迎角等，影響飛行動壓的因素有飛行器所處環(huán)境的空氣密度、相對氣流速度等。影響升力的因素(1）翼型對升力的影響翼型不同，機(jī)翼流線譜和壓力分布也不同，因而升力大小也不一樣。例如平凸翼型和雙凸翼型。平凸翼型上、下表面的彎曲程度相差較大，使上、下表面流管粗細(xì)的差別變大，所以在其他因素相同的條件下，平凸翼型的升力比雙凸翼型的大。（2）迎角對升力的影響迎角不同,機(jī)翼流線譜也不同，從而影響升力的大小也發(fā)生變化。在不同正迎角下，機(jī)翼的流線譜和壓力分布的變化情況：在一定迎角范圍內(nèi)，增大迎角，升力增大。這是因為隨著迎角的增大，機(jī)翼上表面前部，流線更為彎曲，流管更為收縮，流速加快，壓力降低，吸力增大。與此同時，氣流受下表面的阻擋作用更強(qiáng)，流速減慢，壓力提高。于是，機(jī)翼上、下表面壓力差增大，所以升力增大。當(dāng)迎角增大到某一值時，機(jī)翼上表面前部流管變得最細(xì)，流速最快，吸力最大，而下表面流管變得更粗，流速更慢，正壓力更大。這時上下壓力差增加到最大，所以升力最大。當(dāng)迎角超過這一值時，迎角再繼續(xù)增加，升力反而減小。其原因主要是機(jī)翼上表面的渦流區(qū)擴(kuò)大，上表面前部流管擴(kuò)張，吸力降低所致，可以從升力系數(shù)與迎角坐標(biāo)系中發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律?？諝饷芏葘ιΦ挠绊懣諝饷芏群惋w行速度不同，會導(dǎo)致相對氣流的動壓不同。在低速的條件下，然流線譜基本上不改變，但它直接影響機(jī)翼各處壓力的變化，從而影響升力。當(dāng)空氣密度大時，說明空氣比較稠密，作用在機(jī)翼上表面的吸力和下表面的正壓力都增大，機(jī)翼上下表面壓力差增大，則升力增大；反之，升力減小。影響空氣密度大小的因素與飛行高度和氣溫有關(guān)。飛行高度低或氣溫低，空氣密度就大，升力也就大；反之，升力減小。(4）相對氣流速度對升力的影響飛行速度增大,即相對氣流速度增大,機(jī)翼上表面的氣流速度比下表面的氣流速度增大得更多。所以上表面壓力比下表面壓力減小得更多,上下表面壓力差增大,升力隨之增大。由實驗數(shù)據(jù)可得:升力與飛行速度的平方成正比?？諝饷芏群惋w行速度對升力的影響綜合起來,就是氣流動壓對升力的影響。氣流的動壓越大,產(chǎn)生的升力也越大,即升力與相對氣流中的動壓成正比。(5）機(jī)翼面積對升力的影響在其他因素不變的條件下,機(jī)翼面積的變化雖然不會引起流線譜和壓力分布的改變,但它使產(chǎn)生機(jī)翼上下表面壓力差的面積發(fā)生變化,從而影響升力。機(jī)翼面積大,產(chǎn)生上下表面壓力差的地方就越多,產(chǎn)生上下表面壓力差的總和也就越大,所以升力增加。[課堂小結(jié)]本節(jié)課的重點是能夠利用空氣動力學(xué)基本原理解釋機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理。同時理解影響升力大小的因素有哪些。[課后體會]機(jī)翼產(chǎn)生升力的根本原因有二：其一是機(jī)翼特殊的翼型；其二是機(jī)翼與空氣有相對運(yùn)動，也就是當(dāng)氣流流過機(jī)翼時，便會產(chǎn)生向上的壓力差，及升力。說明本節(jié)重點及本節(jié)內(nèi)容必要性。討論流線和跡線的區(qū)別影響流線譜的因素討論：連續(xù)性定理在日常生活中的體現(xiàn)熟記升力公式重點解釋迎角的重要性可結(jié)合升力公式進(jìn)行解釋討論：相對氣流與動壓之間的關(guān)系結(jié)合升力公式進(jìn)行解釋課時教學(xué)教案課程:無人機(jī)飛行原理任課教師:XXX授課題目固定翼無人機(jī)的阻力教學(xué)形式雙師共2課時，總第11—12課時授課班級授課日期教學(xué)目的1、阻力分類及低速附面層2、摩擦阻力、干擾阻力、壓差阻力、誘導(dǎo)阻力產(chǎn)生的原因。3、影響阻力的因素及如何減小。4、具有利用網(wǎng)絡(luò)等資源，進(jìn)一步獲取新知識的能力。重點1、各種阻力產(chǎn)生的原因。2、減小阻力的方法。難點1、對阻力有深入認(rèn)知。2、減小阻力的有效方法。課堂結(jié)構(gòu)及時間分配復(fù)習(xí)引入………………..……（5分鐘）教學(xué)內(nèi)容固定翼無人機(jī)的阻力低速氣流產(chǎn)生阻力的特性……………..（20分鐘）飛行阻力的類型及特性………………...（30分鐘）阻力公式………………………..….（15分鐘）減少阻力的措施………………………...（15分鐘）課堂小結(jié)………………….…（5分鐘）課后體會i教學(xué)過程及教學(xué)內(nèi)容[復(fù)習(xí)引入]回顧固定翼無人機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理。（提問）[教學(xué)內(nèi)容]2.2.3固定翼無人機(jī)的阻力阻力是與固定翼無人機(jī)運(yùn)動軌跡平行且與飛行速度方向相反的力。阻力阻礙固定翼無人機(jī)的飛行,但沒有阻力,固定翼無人機(jī)無法飛行。在低速飛行時,根據(jù)阻力形成原因不同,可以分為摩擦阻力,壓差阻力、干擾阻力、誘導(dǎo)阻力。其中摩擦阻力、壓差阻力、干擾阻力與空氣黏性有關(guān)，而誘導(dǎo)阻力主要與升力有關(guān)。低速氣流產(chǎn)生阻力的特性影響固定翼無人機(jī)運(yùn)行的阻力主要與空氣黏性有關(guān)，空氣與機(jī)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生阻力的區(qū)域主要是附面層區(qū)域。附面層是指在粘性影響顯著的邊界附近的流體層。有黏性的氣體流過物體時，由于物體表面不是絕對光滑的且對空氣分子有吸附作用，所以緊貼物體表面的一層氣流受到阻滯和吸附，氣流速度變?yōu)榱?。這層速度為零的空氣層又因為黏性影響到其外層的氣流，使其外層氣流速度減小。這樣一層一層地向外影響下去,在緊貼物體表面的地方就出現(xiàn)了氣流速度沿物體表面法線方向(簡稱物面法向)逐漸增大的薄層。附面層的特點:①附面層內(nèi)沿物面法向的壓強(qiáng)不變且等于法線主流壓強(qiáng)。如果沿物面法向測量附面層在垂直方向的靜壓強(qiáng)p的變化,那么其結(jié)果是壓強(qiáng)p在附面層內(nèi)沿垂直方向幾乎不變。附面層的厚度隨氣流流經(jīng)物面距離的增長而變厚。氣流沿物面流動時,緊貼附面層的一層空氣不斷受到附面層內(nèi)空氣黏性的影響,逐漸減速變?yōu)楦矫鎸觾?nèi)的氣流,因而氣流沿物面流過的距離越長,附面層的厚度也就越厚。附面層的分類:氣流沿物面流動時,在物面的前段一般是層流,后段是紊流,層流和紊流之間的過渡區(qū)被稱為轉(zhuǎn)擯點。黏性氣體的流動存在兩種基本流態(tài):層流附面層和紊流附面層。層流附面層是指氣體微團(tuán)沿物面法向分層流動,互不混淆,空氣微團(tuán)沒有明顯的上、下擾動的現(xiàn)象﹔紊流附面層是指氣體微團(tuán)除了沿物面流動外,還明顯地沿物面法向上、下擾動,使各層之間有強(qiáng)烈的混合,形成紊亂的流動。飛行阻力的類型及特性摩擦阻力（1）定義：由于緊貼機(jī)體表面的空氣受到阻礙作用而流速降低到0，根據(jù)作用力與反作用力定律，無人機(jī)機(jī)體必然受到空氣的反作用力。這個反作用力與飛行方向相反，稱為摩擦阻力。（2）影響摩擦阻力大小的因素：摩擦阻力的大小與附面層的類型和轉(zhuǎn)捩點的位置密切相關(guān)。飛行速度：飛行速度越大，使得轉(zhuǎn)捩點前移，因此紊流附面層所占的比例就大于層流附面層，摩擦阻力增大。物體表面的粗糙程度：物體表面越粗糙，紊流附面層更加容易出現(xiàn)。（3）減小摩擦阻力的方法：保證機(jī)體表面沒有污物、劃傷、凹陷和凸起等；及時擦拭機(jī)體表面；保持表面清潔。2.干擾阻力（1）干擾阻力的產(chǎn)生：無人機(jī)機(jī)體的各個部件之間，比如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼的單獨阻力之和小于把他們組合成一個整體所產(chǎn)生的阻力，這種由于各部件氣流之間的相互干擾而產(chǎn)生的額外阻力，稱之為干擾阻力。（2）減小干擾阻力的方法：固定翼無人機(jī)各部件之間盡可能用平滑過渡和整流罩包裹各部件連接處，可以有效的減小干擾阻力。3.壓差阻力（1）定義：氣流流過機(jī)翼后，在機(jī)翼的后緣部分產(chǎn)生附面層分離形成渦流區(qū)，壓強(qiáng)降低；而在機(jī)翼前緣部分，氣流受阻壓強(qiáng)增大，這樣機(jī)翼前后緣就產(chǎn)生了壓力差，從而使機(jī)翼產(chǎn)生壓差阻力。（2）影響因素：壓差阻力的大小與分離點的位置有關(guān)；迎角越大，壓差阻力越大；迎風(fēng)面積越大，壓差阻力越大；機(jī)翼形狀不同，壓差阻力不同。4.誘導(dǎo)阻力（1）定義：由于翼尖渦的誘導(dǎo)，導(dǎo)致氣流下洗，在平行于相對氣流方向出現(xiàn)阻礙無人機(jī)前進(jìn)的力，這就是誘導(dǎo)阻力。（2）翼尖渦的形成：正常飛行時，下翼面的壓強(qiáng)比上翼面高，在上下翼面壓強(qiáng)差的作用作用下，下翼面的氣流會繞過翼尖流向上翼面，下翼面由翼根流向翼尖，上翼面由翼尖流向翼根。由于上、下翼面氣流在后緣處具有不同的流向于是就形成渦流，并在翼尖卷成翼尖渦，翼尖渦向后流就形成翼尖渦流。（3）下洗流：由于兩個翼尖渦的存在，會導(dǎo)致在翼展范圍內(nèi)出現(xiàn)一個向下的誘導(dǎo)速度場，稱為下洗。下洗速度的存在，改變了翼型的氣流方向，使流過翼型的氣流向下傾斜，這個向下傾斜的氣流稱為下洗流。（4）下洗角：下洗流的存在，改變了翼型的氣流方向，使流過機(jī)翼氣流向下傾斜，這個向下傾斜的氣流就稱為下洗流，下洗流與相對氣流之間的夾角稱為下洗角。（5）誘導(dǎo)阻力的產(chǎn)生下洗氣流使流過機(jī)翼氣流的流動方向整體向下傾斜了，產(chǎn)生的升力L^′與下洗氣流的方向相垂直。升力L^′垂直于飛行速度方向的分力L仍然起著升力的作用，但其平行于飛行速度方向的分力D，則起著阻力的作用，這個附加的阻力就是誘導(dǎo)阻力。（6）影響誘導(dǎo)阻力的因素①機(jī)翼的平面形狀：橢圓形機(jī)翼的誘導(dǎo)阻力最小、矩形機(jī)翼的誘導(dǎo)阻力最大、梯形機(jī)翼的誘導(dǎo)阻力介于其中。②展弦比：展弦比大，誘導(dǎo)