《固定翼無人機技術(shù)》課件-課程教案1-第一章 固定翼無人機概述 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內(nèi)容第一章固定翼無人機概述授課類型現(xiàn)場講授學情分析教材分析教學目標知識與技能1、掌握固定翼無人機的定義，特點及分類。2、了解固定翼無人機的飛行環(huán)境，空氣的性質(zhì)與標準大氣，各種飛行高度等。過程與方法1、講授法2、討論法3、直觀演示法4、讀書指導法5、任務(wù)驅(qū)動法6、現(xiàn)場教學法7、自主學習法教學重點難點教學重點固定翼定義特點與分類大氣飛行環(huán)境，空氣性質(zhì)，及各種高度教學難點1、固定翼無人機的各種分類2、大氣環(huán)境參數(shù)，各種高度知識框架圖教學過程主備從備（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相關(guān)概念有一個明確的理解和認識，然后對飛機平臺的五大部分作一個整體介紹。[教學內(nèi)容]固定翼無人機概述思考：1.什么是固定翼無人機，與無人直升機和多旋翼無人機相比有什么優(yōu)缺點？2.簡述無人機的幾種分類方法。3.簡述對流層和平流層的特點。4.馬赫數(shù)為什么能反映氣體的壓縮性？5.什么是雷諾數(shù)，雷諾數(shù)對飛行有什么影響？6.為什么要規(guī)定“標準大氣”，中華人民共和國標準大氣是如何規(guī)定的？7.飛行中各種高度是如何定義的？1.1固定翼無人機的定義1.1.1概念辨析從本質(zhì)上看，固定翼無人機首先是“飛機”，然后從控制的角度又屬于“無人機”。所謂飛機，就是由動力裝置產(chǎn)生推力/拉力，由固定機翼產(chǎn)生升力，在大氣層中飛行的重于空氣的航空器。綜合“飛機”和“無人機”的概念，固定翼無人機在本書中可以定義為，由控制站管理的具有固定翼的航空器。1.1.2特點與分類固定翼無人機特點固定翼無人機具有與無人直升機和多旋翼無人機不同的特點，可以概括為以下優(yōu)勢和不足：1.固定翼無人機優(yōu)勢（1）航程大、續(xù)航時間久。（2）飛行速度快。（3）飛行高度高。飛行高度范圍涵蓋高、中、低空。（4）任務(wù)載荷大。飛行效率高，運載能力大，經(jīng)濟性好。2.固定翼無人機不足（1）對起降條件要求較高，需要跑道或者專用發(fā)射/回收器械；中型和大型固定翼無人機都需要有機場，對起降場地要求相對比較苛刻。（2）是低速飛行靈活性和機動性不如直升機和多旋翼。固定翼無人機的分類從不同角度看，固定翼無人機可以有不同的分類方法：1．按照重量分類中國民用航空局在新版《民用無人機駕駛員管理規(guī)定》中對無人機的分類為：軍用無人機根據(jù)起飛重量，可以劃分為小、中、大型無人機。2.按使用領(lǐng)域劃分民用無人機目前主要用于貨物運輸、無線通信、地質(zhì)勘探、地形測繪、農(nóng)作物病蟲害防治、農(nóng)作物產(chǎn)量評估、森林防火、汛情監(jiān)視、交通管制、氣象監(jiān)測、航拍攝影等方面。軍用無人機在殺傷和非殺傷兩個方向上根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以分為以下類別。3．其他分類方法根據(jù)不同的研究目的，還可以有很多分類方法。例如按照執(zhí)行任務(wù)的高度H，無人機可以分為超低空無人機；低空無人機；中空無人機；高空無人機；超高空無人機。軍用無人機按航程、活動半徑、續(xù)航時間和飛行高度分類可以分為戰(zhàn)術(shù)無人機和戰(zhàn)略無人機。按照控制方式可以分為遙控式、半自主式和自主式，以及兼具以上方式的混合式。按照動力裝置可以分為電動式、油動式和油電混合式等。1.2固定翼無人機的飛行環(huán)境飛行器的飛行活動與其所處的環(huán)境有著密不可分的關(guān)系。在學習飛行原理之前，了解飛行器的飛行環(huán)境非常重要。固定翼無人機飛行的主要環(huán)境為地球表面的大氣層。1.2.1大氣飛行環(huán)境按照大氣在垂直方向的物理特性，可以將大氣分成若干層次。按大氣溫度隨高度分布的特征，可把大氣分成對流層、平流層（舊稱同溫層）、中間層、熱層和散逸層（見圖1-5）。大氣層的底界是地面，而頂界則沒有明顯的自然界限。如果以空氣密度接近于星際氣體密度的高度來作為頂界的話，這一高度約為2000～3000km。目前的航空活動，均發(fā)生在對流層和平流層。1．對流層對流層有以下特點：①氣溫隨高度的升高而降低。②有云、雨、霧、雪、雹等天氣現(xiàn)象。③空氣上下對流激烈。2．平流層在平流層內(nèi)，空氣沒有上下對流，只有水平方向的風，這種水平風的形成，是由于高空中空氣稀薄，摩擦力減小，當空氣隨著地球自轉(zhuǎn)而運動時，上層空氣落后于下層空氣，就形成了與地球自轉(zhuǎn)方向相反，方向一定的水平風。1.2.2空氣的性質(zhì)與標準大氣空氣的狀態(tài)參數(shù)氣體是流體的一種，描述其狀態(tài)的物理量叫做氣體的狀態(tài)參數(shù)。最常見的有：1.體積：體積是物體占有多少\t"/item/%E4%BD%93%E7%A7%AF/_blank"空間的\t"/item/%E4%BD%93%E7%A7%AF/_blank"量，以符號V表示，其\t"/item/%E4%BD%93%E7%A7%AF/_blank"國際單位制是\t"/item/%E4%BD%93%E7%A7%AF/_blank"立方米m3。2.密度：密度是物質(zhì)每單位體積內(nèi)的質(zhì)量，以符號ρ表示。密度的國際單位制是千克每立方米，kg/m3。3.溫度：氣體的溫度描述了氣體的冷熱程度，是分子熱運動平均移動功能的度量。溫度的度量方法叫溫標，常用的溫標有攝氏溫度、華氏溫度和熱力學溫度三種。攝氏度是\t"/item/%E6%91%84%E6%B0%8F%E5%BA%A6/_blank"攝氏溫標的溫度計量單位，用符號℃表示。華氏度（F）是溫度的一種度量單位，在\t"/item/%E5%8D%8E%E6%B0%8F%E5%BA%A6/_blank"標準大氣壓下，冰的熔點為32℉，水的\t"/item/%E5%8D%8E%E6%B0%8F%E5%BA%A6/_blank"沸點為212℉，中間有180等分，每等分為華氏1度，記作“1℉”。熱力學溫度（又稱開爾文溫標、\t"/item/%E7%83%AD%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E6%B8%A9%E5%BA%A6/_blank"絕對溫標，簡稱\t"/item/%E7%83%AD%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E6%B8%A9%E5%BA%A6/_blank"開氏溫標），0K的溫度相當于攝氏零下273.16度（在實際計算中常取-273℃）。三種溫標之間換算關(guān)系如下：C=5/9（F－32）F=9/5×C+32T=t+273.15式中t----攝氏溫度（℃）；F----華氏溫度（℉）；T----熱力學溫度（K）。4.壓強物體所受的壓力與受力面積之比叫做壓強，壓強用來比較壓力產(chǎn)生的效果，壓強越大，壓力的作用效果越明顯。壓強的單位是帕斯卡，符號是Pa（N/m2）。實際應(yīng)用中，為了便于測量和使用，還常用以下壓力單位：百帕（hPa）：1百帕=100Pa=1毫帕千帕（kPa）：1千帕=1000Pa1標準大氣壓=760毫米汞柱=1013hPa。工程大氣壓（at）：lat=1kgf/cm2=98066Pa。標準大氣壓（atm）：溫度為15℃時，海平面上空氣的平均壓力，1atm=1.033at。PSI：1PSI=1

Ibf/

in2-=0.07kgf/cm2=6894.8Pa；1kgf/cm2=14.3PSI。毫米（或英寸）汞柱：1毫米（或英寸）汞柱的壓力等于高為1毫米（或英寸）汞柱的重力對底部所產(chǎn)生的壓力。航空活塞發(fā)動機的進氣壓力常用此單位?？諝獾男再|(zhì)1．熱膨脹性在一定壓強下，流體體積隨溫度升高而增大的性質(zhì)稱為流體的熱膨脹性。熱膨脹性的大小用膨脹系數(shù)α表示，它的物理意義是單位溫度變化所引起的體積的相對變化率，即（1-1）式中α——體積膨脹系數(shù)：K-1；V——流體的體積：m3；ΔV——流體體積的增加量：m3；氣體的熱膨脹性相對很大，一般不可忽略。當氣體壓強不變時，溫度每升高1K，體積便增大到273K時體積的1/273。因此，氣體的熱膨脹系數(shù)α=1/273（K-2.壓縮性與馬赫數(shù)在一定溫度下，流體體積隨壓強升高而減少的性質(zhì)稱為流體的壓縮性。壓縮性的大小用體積壓縮率k表示，它的物理意義是單位壓強變化所引起的體積的相對變化率，即（1-2）式中k——體積壓縮率：Pa-1；V——流體的體積：m3；ΔV——流體體積的變化量：m3；由于壓強增大，體積縮小，Δp與ΔV變化趨勢相反，為保證k為正值，上式右邊加一負號。并且從k的表達式可以看出，當壓強變化相同時，體積變化率越大，k也就越大，即流體越容易被壓縮，而k小的流體不易被壓縮。因此，k值標志著可壓縮性的大小。體積壓縮率k的倒數(shù)，稱為體積模量，以K表示。（1-3）飛行馬赫數(shù)Ma等于前方來流速度V（即飛機相對氣流的速度）與當?shù)芈曀賏之比：Ma＝V/a3.黏性與雷諾數(shù)流體流動時，在流體內(nèi)部產(chǎn)生阻礙運動的摩擦力的性質(zhì)稱做流體的黏性。黏性是流體物理性質(zhì)中最重要的性質(zhì)。流體產(chǎn)生黏性的最主要的原因有兩條：一是流體分子之間的吸引力產(chǎn)生阻力；二是流體分子做不規(guī)則的熱運動的動量交換產(chǎn)生阻力。牛頓經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，流體運動產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力與沿接觸面法線方向的速度變化（即速度梯度）成正比，與接觸面的面積成正比，與流體的物理性質(zhì)有關(guān)，而與接觸面上的壓強無關(guān)（圖1-7）。這個關(guān)系式稱為牛頓內(nèi)摩擦定律，即（1-4）式中F——流體層接觸面上的內(nèi)摩擦力：N；A——流體層之間的接觸面積：m2；dv/dn——速度梯度：1/s；μ——黏性的表示方法及其單位流體黏性的大小以黏度來表示和度量，氣體的黏度表示主要是以下兩種：1.動力黏度μ從牛頓內(nèi)摩擦定律可得（1-5）2.運動黏度ν動力黏度μ與流體密度ρ的比值稱為運動黏度，以ν表示。即（1-6）飛機在空氣中運動，其雷諾數(shù)用公式表示為（1-7）式中，b為氣流流經(jīng)物體的距離，單位m。當雷諾數(shù)在1～100之間時，流體的流動全是黏性流。不過這種情況只存在于潤滑的滾珠軸承之內(nèi)，或者太空高度稀薄大氣之中。而雷諾數(shù)大于100的流場往往是邊界層與無黏性流的混合流場。流體黏性的作用只集中在邊界層內(nèi)。不過邊界層的情況很多時候會影響到整個流場，如引起機翼的過早失速等。標準大氣中國國家標準總局于1980年頒布了“中華人民共和國標準大氣”（30km以下部分）：大氣被看成完全氣體；以海平面的高度為零。且在海平面上，大氣的標準狀態(tài)為：氣溫T＝15℃壓強p＝1標準大氣壓（即p＝101325N/m2）密度ρ＝1.2250kg/m3聲速a＝341m/s。在11千米以下，高度每增高100米，溫度降低0.65℃；在11～20千米，溫度保持-56.5℃。這樣規(guī)定的標準大氣壓，與中國中緯度（北緯45°）實際大氣十分接近。1.2.3飛行中各種高度高度表示某個點距離某個指定參考面的垂直距離。飛機的飛行高度是指飛機在空中距某一個基準面的垂直距離。根據(jù)所選基準面，飛行中使用的飛行高度大致可分為以下四種：1．絕對高度飛機從空中到平均海平面的垂直距離。在海上飛行時，用雷達可直接測出絕對高度。2.相對高度飛行器到某指定的水平面（機場、靶場、戰(zhàn)場等）的垂直距離。3.真實高度飛機從空中到正下方接觸面（水面，地面，山頂?shù)龋┑拇怪本嚯x稱為真實高度。4.標準氣壓高度飛行器從空中到標準氣壓平面（即大氣壓力等于760毫米汞柱的水平面）的垂道距離，稱為標準氣壓高度。[課堂小結(jié)]學習任務(wù)單。[課后體會]作業(yè)設(shè)計