《固定翼無人機技術(shù)》課件-課程教案10-第十章 飛機起飛著陸性能 11-17

固定翼無人機技術(shù)固定翼無人機技術(shù)教師年級授課時間教學(xué)內(nèi)容第十章飛機起飛著陸性能授課類型現(xiàn)場講授學(xué)情分析教材分析教學(xué)目標(biāo)知識與技能掌握飛機的起飛性能掌握飛機的著陸性能了解固定翼無人機的發(fā)射與回收過程與方法1、講授法2、討論法3、直觀演示法4、讀書指導(dǎo)法5、任務(wù)驅(qū)動法6、現(xiàn)場教學(xué)法7、自主學(xué)習(xí)法教學(xué)重點難點教學(xué)重點1、飛機的起飛性能（起飛距離計算，影響起飛性能的因素）2、飛機的著陸性能（著陸距離計算，使用條件對著陸性能的影響）3、固定翼無人機的發(fā)射與回收（常見的無人機發(fā)射與回收方式）教學(xué)難點1、飛機的起飛性能（起飛距離計算，影響起飛性能的因素）2、飛機的著陸性能（著陸距離計算，使用條件對著陸性能的影響）知識框架圖教學(xué)過程主備從備（教師姓名）[課堂引入]引入：這一部分首先讓大家對固定翼無人機的飛機起飛著陸性能有個整體了解，無人機發(fā)射與回收方式等等。[教學(xué)內(nèi)容]飛機起飛著陸性能思考：簡述飛機起飛性能的計算方法和影響因素。簡述飛機著陸性能的計算方法和影響因素。固定翼無人機的發(fā)射與回收主要有哪些方式？10.1飛機的起飛性能起飛前，飛機滑行到起飛線上，飛行員把油門桿推到起飛位置，同時使用剎車使飛機停在起飛線上。起飛時，飛行員松開剎車使飛機沿跑道加速滑跑。當(dāng)飛機滑跑速度達(dá)到某一速度時，飛行員拉桿抬起前輪。當(dāng)滑跑速度達(dá)到一個確定的速度（叫離地速度）時，飛機開始離開地面，作加速上升飛行。對于殲、強類飛機，飛機上升到15m時，起飛過程結(jié)束。這個高度，叫起飛安全高度。我國軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，轟炸、運輸類飛機的起飛安全高度為10.5m。飛機從起飛線滑跑開始到加速上升到起飛安全高度的整個運動過程（見圖10-1），叫起飛?？梢钥闯觯痫w過程大體上可分為兩個階段：起飛滑跑階段（地面段）和上升加速階段（空中段）。飛機從起飛線滑跑開始到飛機離地瞬間所經(jīng)過的距離叫飛機的起飛滑跑距離，記為dt.01；飛機從離地速度開始至加速上升到起飛安全高度所經(jīng)過的水平距離叫上升前進(jìn)距離，記為dt.02。起飛滑跑距離和上升前進(jìn)距離之和叫做飛機的起飛距離，記為dt.0，即＝+起飛距離是飛機起飛性能的一個重要指標(biāo)。起飛距離的長短，直接關(guān)系到需用機場跑道的長短和機場范圍的大小。過長的跑道、過大的機場范圍，無論從經(jīng)濟或軍事作戰(zhàn)方面來看都是不利的。起飛距離過長，而機場跑道長度不足或機場范圍太小，飛機則不能起飛；勉強起飛則容易引起飛行事故。10.1.1起飛距離計算飛機在地面滑跑時受到發(fā)動機推力、空氣動力、地面支反力和摩擦力的作用。如前所述，飛機在開始滑跑時是三輪著地的，只有當(dāng)速度達(dá)到某一速度，駕駛員拉桿抬起前輪后，飛機有一段兩輪滑跑。當(dāng)速度達(dá)到起飛離地速度時，飛機離開地面，結(jié)束滑跑過程。由圖6-2可看出，三輪滑跑和兩輪滑跑飛機受力情況是不同的。但是，由于兩輪滑跑的距離和時間都很短，作為工程計算，可以不加區(qū)分，仍按三輪滑跑處理。假設(shè)發(fā)動機推力T平行于地面，可以得到地面加速滑跑距離為（10-1）式中：發(fā)動機推力T為速度的函數(shù)；CL和CD為起飛構(gòu)型（襟翼在起飛位置、起落架放下等）條件下對應(yīng)于停機迎角的升力系數(shù)和阻力系數(shù)；摩擦系數(shù)f的大小主要取決于跑道表面狀況。如果沒有可用的實驗數(shù)據(jù)，可按表10-1和表10-2適當(dāng)選取。表10-1干燥硬跑道表面摩擦系數(shù)地面滑跑摩擦系數(shù)f剎車摩擦系數(shù)f0.0250.20~0.30表10-2其他跑道表面地面滑跑摩擦系數(shù)跑道表面狀況f的最小值f的最大值濕水泥跑道表面0.030.05濕草地面0.060.10~0.12覆雪或覆草地面0.020.10~0.12干硬土草地面0.0350.07~0.10由于發(fā)動機的推力一般由函數(shù)曲線的形式給出，式（10-1）一般要用數(shù)值積分的方法求解。考慮到在起飛滑跑過程中發(fā)動機推力變化比較平緩，工程上為了簡化計算經(jīng)常把發(fā)動機推力取為某一常量，例如取T≈此時飛機的起飛地面滑跑距離為（10-2）其中：K1＝，K2＝上升前進(jìn)距離為（10-3）這個積分一般要用數(shù)值方法求解。例10-1：某機起飛時，飛機重量G＝7800N，＝30000N，S＝23m2，Vt.0＝300km/h，f＝0.035海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，停機迎角α＝0.18°，對應(yīng)的CD＝0.05，CL＝0.16，試計算該機地面加速滑跑的距離。解：V＝300km/h＝83.3m/s代入（10-2）式，有=1104m10.1.2影響起飛性能的因素如前所述，起飛過程實際上是飛機在發(fā)動機推力、空氣動力、重力及道面（滑跑段）摩擦力作用下的加速過程。因此，凡是影響作用于飛機的外力的因素都將影響飛機的起飛性能。下面主要從使用維護的觀點出發(fā)簡要討論飛機起飛重量、大氣條件和跑道坡度對飛機起飛性能的影響。通常，飛機起飛重量G越大，飛機的起飛加速度必然減小，飛機的離地速度和飛機的起飛速度也應(yīng)增大，這必然導(dǎo)致起飛滑跑距離和上升前進(jìn)距離增大，從而使起飛距離增大，起飛性能下降。此外，起飛重量增大還使飛機地面滑跑時的地面摩擦力增大，使地面滑跑距離進(jìn)一步增長。因此，起飛重量對飛機的起飛性能將有明顯的影響。大氣條件對飛機起飛性能的影響主要表現(xiàn)為機場海拔高度、氣溫和風(fēng)的影響。飛機在高原機場起飛時，由于機場海拔高度升高，發(fā)動機推力下降，這無論是對飛機的地面加速滑跑或是離地后的加速上升都是不利的。與此同時，機場海拔高度升高，空氣密度降低，在同樣的起飛重量下，飛機的離地速度必然增大，從而使飛機的起飛性能惡化。近似經(jīng)驗表明，機場高度每增加1000m，飛機的起飛距離約增加百分之二十到三十。氣溫變化將直接影響發(fā)動機推力。氣溫升高會導(dǎo)致發(fā)動機推力減小，使起飛滑跑距離增長，起飛性能變壞；反之則使起飛性能變好。對于推重比為0.6~0.9的飛機，氣溫每升高30°C，飛機起飛滑跑距離要比標(biāo)準(zhǔn)氣溫條件下的起飛滑跑距離大約要增長30%左右。必須指出，上述各式中所用的速度都是指空速，也即飛機相對于空氣的運動速度。在無風(fēng)的情況下，空速和地速相等；在有風(fēng)的情況下，空速將與地速不同。逆風(fēng)會使空速大于地速，順風(fēng)則使空速小于地速?？紤]風(fēng)速的影響后，計算起飛距離的式（10-3）應(yīng)該為（10-8）由此導(dǎo)出的結(jié)果也應(yīng)作相應(yīng)的修改，這里不再贅述。上式中W為風(fēng)速，并以逆風(fēng)為正，順風(fēng)為負(fù)。顯然，逆風(fēng)起飛是有利的。機場跑道表面情況對飛機的滑跑起飛性能也有明顯的影響。道面堅硬光滑，摩擦系數(shù)小，起飛滑跑距離縮短；道面積水、潮濕，摩擦系數(shù)增大，起飛滑跑距離增長。跑道有坡度時，重力G會出現(xiàn)沿發(fā)動機推力方向的分量。如圖10-2所示，考慮到跑道坡度γ一般很小，飛機重力在推力方向的分量為Gsinγ≈Gγ，它起著增加（下坡時）或減?。ㄉ掀聲r）推力的作用。飛機重力在垂直道面方向的分量為Gcosγ≈G，機輪所受到的法向力基本不變。這樣，在計算起飛滑跑距離時，只要以T+Gγ代替跑道無坡度時的發(fā)動機推力T即可。值得注意的是，上坡時，γ取負(fù)值；下坡時，γ取正值。顯然下坡將使飛機起飛滑跑距離縮，上坡使飛機起飛滑跑距離增長。近似計算經(jīng)驗表明，跑道的每度坡度角可使飛機起飛滑跑距離改變約2%左右。10.2飛機的著陸性能我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB34-85規(guī)定，飛機著陸過程包括從安全高度15m開始的下滑、接地、滑跑減速至完全停止的整個過程（圖10-3）。飛機從15m安全高度下滑時，發(fā)動機基本上處于慢車工作狀態(tài)，飛機以著陸速度作直線下滑，至高度8~10m，飛行員開始將油門收到慢車位置并拉平飛機，至高度1m左右拉平過程結(jié)束，進(jìn)入平飄，然后飛機平飛減速飄落接地。飛機著陸性能主要是指著陸距離，也就是整個著陸過程中飛機運動所經(jīng)過的水平距離。與起飛距離一樣，著陸距離也有兩段組成：從著陸安全高度開始到接地瞬間結(jié)束的空中段dL1和由接地開始至飛機完全停止瞬間的著陸滑跑段dL2，即

dL=dL1+dL210.2.1著陸距離的計算作為工程近似計算，空中段著陸距離（10-9）近似計算飛機著陸滑跑距離的公式為（10-14）其中：K為接地迎角條件下的飛機升阻比，例10-2：某飛機著陸時，接地速度為72.2m/s，接地升阻比K＝7，地面摩擦力系數(shù)為0.3，試計算著陸地面滑跑距離。解：由（10-14）式，求得＝1201m10.2.3使用條件對著陸性能的影響使用條件的影響主要是指著陸重量，大氣條件和跑道道面情況對著陸性能的影響。注意到接地時飛機升力等于重力的條件，有其中：CL.dt為飛機接地迎角對應(yīng)的升力系數(shù)，則根據(jù)（10-14）式，有可以看出著陸重量增大，飛機接地速度增大，必然導(dǎo)致著陸地面滑跑距離增大；反之著陸重量減輕，飛機地面滑跑距離必然縮短。由上式還可以看出，著陸地面滑跑距離還與大氣密度成反比。機場海拔高度升高，大氣密度減小，必然會使飛機接地速度增大，使著陸地面滑跑距離增長，著陸性能變壞。根據(jù)大氣密度隨高度的變化規(guī)律，當(dāng)機場高度在5000m以下時，可近似認(rèn)為高度每增1000m，大氣密度下降約12%，滑跑距離將相應(yīng)地增長12%?？紤]到著陸時發(fā)動機處于慢車狀態(tài)，氣溫的變化對著陸性能的影響一般較小。和起飛相同，著陸過程中的速度是指相對空速。逆風(fēng)著陸時的飛機空速等于風(fēng)速和地速之和，可以改善著陸性能。因此，飛機起飛和著陸一般應(yīng)逆風(fēng)進(jìn)行。當(dāng)機場跑道具有上坡角γ時，飛機重力的分量Gsinγ將起著阻止運動的作用，有利于改善飛機的著陸性能。10.3固定翼無人機的發(fā)射與回收大型無人機一般采用地面滑跑起飛和著陸的方式；中小型無人機常采用彈射起飛等方式，回收則采用撞網(wǎng)和傘降等方式。本節(jié)重點介紹中小型無人機的發(fā)射與回收。10.3.1無人機發(fā)射技術(shù)10.3.1.1手拋發(fā)射手拋發(fā)射方式較為簡單，通常是指操作手通過投擲方式將無人機扔到空中，使其具有一定的初速度，從而實現(xiàn)起飛的過程。手拋發(fā)射一般適用于尺寸小、質(zhì)量輕的小型、微型無人機，如美國“短毛獵犬”、“大烏鴉”、“指針”無人機，英國“MSV-10”等無人機。為確保發(fā)射成功，手拋發(fā)射時應(yīng)注意投擲力的大小和方向。10.3.1.2蓄能彈射發(fā)射彈射起飛是將彈性勢能轉(zhuǎn)換為機械動能，使無人機加速到安全起飛速度。彈射起飛的優(yōu)點是機動靈活性好、安全隱蔽性好；其缺點是發(fā)射質(zhì)量不能太大，滑軌不能太長。按發(fā)射動力能源的不同，彈射起飛可分為液/氣壓彈射、彈力彈射、電磁彈射和燃?xì)鈴椛涞榷喾N方式。以色列拉斐爾公司生產(chǎn)的一種便攜式小型無人機云雀。當(dāng)操作人員在空間約束無法跑著發(fā)射無人機時，可以采用發(fā)射管發(fā)射。10.3.1.3氣動液壓發(fā)射20世紀(jì)90年代國際上發(fā)展起來的一種先進(jìn)的導(dǎo)軌動能彈射起飛方式，主要采用氣液壓能源作為無人機彈射起飛的動力。由于技術(shù)復(fù)雜，最初只有美、英等少數(shù)國家掌握此項技術(shù)，如美國影子200和天鷹。發(fā)射過程，無人機首先固定在滑車上，滑車就位、鎖定，進(jìn)行液體壓縮氮氣儲能?；嚨竭_(dá)滑軌終點時在液壓剎車裝置作用下停住，無人機離開滑車飛向天空。但是，所需配套裝置比較冗雜，需要一定數(shù)量的操作人員，耗能和噪聲較大，機動隱蔽性差。10.3.1.4彈藥火箭發(fā)射彈藥火箭發(fā)射原理和氣動液壓發(fā)射類似，該系統(tǒng)由機體、發(fā)射車、地面測控站、和火工品等部分組成。采用上單翼、雙尾撐、后推式總體氣動布局，飛行平穩(wěn)度高、續(xù)航時間長；具有衛(wèi)星、無線電、航程推算三種定位及組合導(dǎo)航方式；具有在云、霧、雨（中陣雨）氣象條件下晝夜執(zhí)行飛行任務(wù)的能力（見圖10-5）?；鸺葡到y(tǒng)推力線控制與調(diào)整要求復(fù)雜且不能重復(fù)使用，火箭脫落時與后置式動力裝置發(fā)生干涉，而且設(shè)計火工品的儲存和使用，費用高昂，且發(fā)射時具有聲光煙信號，容易暴露目標(biāo)。10.3.1.5旋轉(zhuǎn)拋射起飛無人機旋轉(zhuǎn)拋射裝置通過控制旋轉(zhuǎn)拋射裝置電機的旋轉(zhuǎn)速度將中小型無人機的發(fā)射速度在0m/s～50m/s之間，能夠有效減小中小型無人機在起過程中的過載，延長無人機的使用壽命，具有生產(chǎn)制造費用低、占地面積小、操作方便并且能夠車載和艦載使用的特點。然而，該裝置發(fā)射無人機時受到無人機的尺寸、結(jié)構(gòu)的影響，由于無人機承載任務(wù)載荷所導(dǎo)致的重心偏移，發(fā)射過程中的慣性力消除有所難度。同時，飛機的爬升高度對裝置的結(jié)構(gòu)也有較大地限制。10.3.2無人機回收技術(shù)中小無人機回收方式較少，主要著眼于緩沖吸能目標(biāo)上，主流為撞網(wǎng)回收、傘降回收、垂直降落回收、中空回收和氣墊回收等。10.3.2.1撞網(wǎng)回收主要由攔截網(wǎng)、吸收能量裝置和引導(dǎo)設(shè)備構(gòu)成。攔截網(wǎng)承擔(dān)吸能緩沖的任務(wù)，用來吸收無人機撞網(wǎng)后來回擺動能量，防止觸網(wǎng)后彈跳不停，以致?lián)p傷。自動引導(dǎo)裝置是網(wǎng)后面的移動攝像頭，時刻捕捉無人機返航后，進(jìn)入回收空域，隨時報告無人機的相對回收裝置的三維坐標(biāo)。但是，該攔截也存在一些劣勢。當(dāng)無人機返航時，需要有操作人員時刻關(guān)注監(jiān)視器的狀況，根據(jù)無人機的實時