无人机基础知识(飞行原理、系统组成、组装和调试).doc
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近年来无人机的应用逐渐广泛,不少爱好者想集中学习无人机的知识,本文从最基本的飞行原理、无人机系统组成、组装与调试等方面着手,集中讲述了无人机的基本知识第一章 飞行原理本章介绍一些基本物理观念,在此只能点到为止,如果你在学校已上过了或没兴趣学,请跳过这一章直接往下看第一节速度与加速度速度即物体移动的快慢及方向,我们常用的单位是每秒多少公尺﹝公尺/秒﹞0加速度即速度的改变率,我们常用的单位是﹝公尺/秒/秒﹞,如果加速度是负数,则代表减速第二节牛顿三大运动定律第一定律：除非受到外来的作用力,否则物体的速度 变化率是正比于外加力 F 并且发生在力的方向上此即着名的F=ma 公式,当物体受一个外力后,即在外力的方向产生一个加速度,飞机起飞滑行时引擎推力大于阻力,于是产生向前的加速度,速度越来越快阻力也越来越大,迟早引擎推力会等于阻力,于是加速度为零,速度不再增加,当然飞机此时早已飞在天空了。 第三定律：作用力与反作用力是数值相等且方向相反你踢门一脚,你的脚也会痛,因为门也对你施了一个相同大小的力第三节力的平衡作用于飞机的力要刚好平衡,如果不平衡就是合力不为零,依牛顿第二定律就会产生加速度,为了分析方便我们把力分为X、Y、Z三个轴力的平衡及绕X、Y、Z三个轴弯矩的平衡轴力不平衡则会在合力的方向产生加速度,飞行中的飞机受的力可分为升力、重力、阻力、推力﹝如图1-1﹞,升力由机翼提供,推力由引擎提供,重力由地心引力产生,阻力由空气产生,我们可以把力分解为两个方向的力,称 x 及 y 方向﹝当然还有一个z方向,但对飞机不是很重要,除非是在转弯中﹞,飞机等速直线飞行时x方向阻力与推力大小相同方向相反,故x方向合力为零,飞机速度不变,y方向升力与重力大小相同方向相反,故y方向合力亦为零,飞机不升降,所以会保持等速直线飞行弯矩不平衡则会产生旋转加速度,在飞机来说,X轴弯矩不平衡飞机会滚转,Y轴弯矩不平衡飞机会偏航、Z轴弯矩不平衡飞机会俯仰﹝如图1-2﹞第四节伯努利定律伯努利定律是空气动力最重要的公式,简单的说流体的速度越大,静压力越小,速度越小,静压力越大,这里说的流体一般是指空气或水,在这里当然是指空气,设法使机翼上部空气流速较快,静压力则较小,机翼下部空气流速较慢,静压力较大,两边互相较力﹝如图1-3﹞,于是机翼就被往上推去,然后飞机就飞起来,以前的理论认为两个相邻的空气质点同时由机翼的前端往后走,一个流经机翼的上缘,另一个流经机翼的下缘,两个质点应在机翼的后端相会合﹝如图1-4﹞,经过仔细的计算后发觉如依上述理论,上缘的流速不够大,机翼应该无法产生那幺大的升力,现在经风洞实验已证实,两个相邻空气的质点流经机翼上缘的质点会比流经机翼的下缘质点先到达后缘﹝如图1-5﹞。 我曾经在杂志上看过某位作者说飞机产生升力是因为机翼有攻角,当气流通过时机翼的上缘产生"真空",于是机翼被真空吸上去﹝如图1-6﹞,他的真空还真听话,只把飞机往上吸,为什幺不会把机翼往后吸,把你吸的动都不能动,还有另一个常听到的错误理论有时叫做子弹理论,这理论认为空气的质点如同子弹一般打在机翼下缘,将动量传给机翼,这动量分成一个往上的分量于是产生升力,另一个分量往后于是产生阻力﹝如图1-7﹞,可是克拉克Y翼及内凹翼在攻角零度时也有升力,而照这子弹理论该二种翼型没有攻角时只有上面"挨子弹",应该产生向下的力才对啊,所以机翼不是风筝当然上缘也没有所谓真空伯努利定律在日常生活上也常常应用,最常见的可能是喷雾杀虫剂了﹝如图1-8﹞,当压缩空气朝A点喷去,A点附近的空气速度增大静压力减小,B点的大气压力就把液体压到出口,刚好被压缩空气喷出成雾状,读者可以在家里用杯子跟吸管来试验,压缩空气就靠你的肺了,表演时吸管不要成90度,倾斜一点点,以免空气直接吹进管内造成皮托管效应,效果会更好 第二章 飞行操作：模拟—电动----油动一、什么叫航空模型 在国际航联制定的竞赛规则里明确规定"航空模型是一种重于空气的,有尺寸限制的,带有或不带有发动机的,不能载人的航空器,就叫航空模型。 其技术要求是： 最大飞行重量同燃料在内为五千克； 最大升力面积一百五十平方分米； 最大的翼载荷100克/平方分米； 活塞式发动机最大工作容积10亳升1、什么叫飞机模型 一般认为不能飞行的,以某种飞机的实际尺寸按一定比例制作的模型叫飞机模型2、什么叫模型飞机 一般称能在空中飞行的模型为模型飞机,叫航空模型二、模型飞机的组成 模型飞机一般与载人的飞机一样,主要由机翼、尾翼、机身、起落架和发动机五部分组成1、机翼———是模型飞机在飞行时产生升力的装置,并能保持模型飞机飞行时的横侧安定2、尾翼———包括水平尾翼和垂直尾翼两部分水平尾翼可保持模型飞机飞行时的俯仰安定,垂直尾翼保持模型飞机飞行时的方向安定水平尾翼上的升降舵能控制模型飞机的升降,垂直尾翼上的方向舵可控制模型飞机的飞行方向3、机身———将模型的各部分联结成一个整体的主干部分叫机身同时机身内可以装载必要的控制机件,设备和燃料等4、起落架———供模型飞机起飞、着陆和停放的装置前部一个起落架,后面两面三个起落架叫前三点式；前部两面三个起落架,后面一个起落架叫后三点式5、发动机———它是模型飞机产生飞行动力的装置模型飞机常用的动装置有：橡筋束、活塞式发动机、喷气式发动机、电动机。 三、航空模型技术常用术语1、翼展——机翼〔尾翼左右翼尖间的直线距离〔穿过机身部分也计算在内2、机身全长——模型飞机最前端到最末端的直线距离3、重心——模型飞机各部分重力的合力作用点称为重心4、尾心臂——由重心到水平尾翼前缘四分之一弦长处的距离5、翼型——机翼或尾翼的横剖面形状6、前缘——翼型的最前端7、后缘——翼型的最后端8、翼弦——前后缘之间的连线9、展弦比——翼展与平均翼弦长度的比值展弦比大说明机翼狭长练习飞行的要素与原则分析玩模型飞机和玩模型大脚车完全是两种不同的运动,模友们千万别想当然,买来了就上天,否则就只能看着飞机的残骸落泪了在开展模型飞机运动前,最需要有一套合理、简单的教程来指导你学会为什么这么飞和怎么样飞,让你更快更安全的把爱机送上蓝天 开篇还是先把基础飞行练习的要素与原则强调一下,这与你能否成功的掌握飞行技能有直接的关系第一：飞行练习的要素 掌握飞行技巧,需要以掌握最基本的要素为基础,不断的练习,最终实现自己对飞机启动、助跑、起飞、航线和降落等环节的控制,达到这种境界,模型界称之为"单飞"单飞的要素有以下几点： 1、一架精心调整的遥控上单翼教练机〔飞机的调整我们在专门的板块里详细说明 2、理解各种操纵对飞机控制的作用 3、飞机起飞 4、学会直线飞行与航线控制 5、学会转弯飞行与转弯控制 6、地面参照物对航线的辅助 7、航线高度的控制 8、降落过程控制 9、降落第二：飞行练习的原则 本教程里的"飞行技巧"都是通过对有经验的模型玩家的观察和与他们交谈后的总结浓缩成为"飞行方法",旨在把各种飞行动作拆解成简单的、程序化的指令,需要大家认真的理解与实践。 初级飞行练习的原则： 1、理解各飞行动作的原理,再进行动作演练 2、主动控制飞机,不要让飞机来控制你"被动的去控制",把精力投在如何控制飞机上 3、拆解了的动作分开练习,熟练后,再程序化的组合练习 4、真正飞行前,最好应用飞行模拟器模拟飞行,减少事故发生,加速训练进度5、真实飞行的时候,需要有经验的模型玩家在场,如出现紧急情况〔飞机失控等事件,请将飞机控制权交给他们模型教练飞机结构详细讲解飞机草图 模型教练机的基本组成 这一节我们来了解一下模型教练机的基本组成 上单翼模型教练机主要由机翼、机身、起落架、尾翼及相应的转动舵面组成 各舵面又有副翼、襟翼、方向舵、升降舵之分,每种舵面各施其能,为飞机的各种飞行动作提供相应的偏转力 请大家看下图示,以便更清楚的了解模型教练飞机各部分的结构及组成下面介绍一下各个舵面为飞机提供什么样的偏转力,这种偏转力能让飞机飞出什么动作副翼： 副翼的功能主要是产生机身轴向上的偏转力矩,让飞机绕机身纵轴滚转〔相关图示详见下节襟翼： 襟翼是作为飞机机翼上的一个升力辅助舵面而存在的,主要是通过偏转,为机翼提供持续的升力补偿,因只出现在较高级的仿真模型飞机中,所以这里不做详述,在飞行技巧中会稍微提及襟翼的使用方法。 方向舵： 方向舵的主要功能是提供飞机纵轴的转向力矩,使飞机绕纵轴左右偏转,达到转弯到目的升降舵 升降舵的主要功能是提供飞机横轴的转向力矩,是飞机绕横轴上下俯仰偏转,达到升降的目的各舵面的结构与功用已经为大家介绍完毕,下面的几节,我们分别针对各舵面的偏转力特点,详述其作用副翼在模型飞机中的作用副翼要实现飞机的纵轴滚转,就必须用到副翼 通过副翼的偏转,飞机就可以在机身纵轴上滚转,滚转速度与副翼偏转角度成正比 副翼的偏转对于飞机姿态的影响是这样的,副翼舵面偏转后,飞机以纵轴为轴心偏转,偏转方向和偏转力矩方向一致,在飞机偏转到一定角度时,松开遥控器副翼通道摇杆,飞机就会保持这种偏转角度继续飞行下去,如图所示： 如果需要让飞机重新恢复水平状态,需要反方向偏转副翼舵面,让飞机回正与副翼偏转相关的飞行动作有： 1、副翼转弯 2、横滚 3、筒滚 4、倒飞 要做出这些动作,需要其他的动作复合起来才能完成,相应动作升降舵在模型飞机中的作用升降舵 要实现飞机的俯仰、爬升与下降,就必须用到升降舵 通过升降舵的偏转,飞机就可以在机身横轴上转动,俯仰角度与升降舵偏转角度成正比 升降舵的偏转对于飞机姿态的影响是这样的,升降舵舵面偏转后,飞机绕横轴转动,偏转方向和偏转力矩方向一致,飞机爬升时称之为抬头力矩,飞机俯冲时,称之为低头力矩,在飞机俯仰到一定角度时,松开遥控器升降舵通道摇杆,飞机就会保持这种偏转角度飞行,但是因为机翼的升力作用,在没有了抬头或低头力矩的情况下,机翼的升力,会自动把飞机的姿态修正成为平飞状态,修正速度和飞机的整体设计有关,这里不详述,如图所示： 如果需要让飞机快速恢复水平状态,需要反方向偏转升降舵舵面,让飞机回正与升降舵偏转相关的飞行动作有： 1、副翼转弯 2、正/负筋斗 3、筒滚 4、倒飞 5、8字横滚 6、失速螺旋等等 升降舵在飞机飞行中起到很关键的作用,很多动作的完XX需要升降舵的支持,配合其他舵面的偏转,你也可以做出很多精彩的模型动作。 方向舵在模型飞机中的作用方向舵要实现飞机的转向,方向舵的偏转就可以满足需求 通过方向舵的偏转,飞机就可以在机身竖轴上转动,转弯速度与方向舵偏转角度成正比 方向舵的偏转对于飞机姿态的影响是这样的,方向舵舵面偏转后,飞机绕竖轴转动,偏转方向和偏转力矩方向一致,在飞机转向到一定角度时,松开遥控器方向舵通道摇杆,飞机就会保持这种偏转角度飞行,但是因为飞机发动机〔或电动机拉力的作用,在没有了转向力矩的情况下,飞机的拉力会自动把飞机的姿态修正成为直线飞行状态,修正速度和飞机发动机〔或电动机拉力大小与下拉、右拉角大小整体设计有关,这里不详述。
