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無人機(jī)或者飛機(jī)在飛行過程中，都會受到空氣阻力的影響，這種影響如果不進(jìn)行消除有可能給飛行帶來很大的動力損耗，甚至對飛機(jī)的控制產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。而在無人機(jī)上，不僅僅是在外形，在內(nèi)部控制上，空氣動力學(xué)更是需要在設(shè)計(jì)過程中非常注意的方面。本文從理論方面介紹無人機(jī)設(shè)計(jì)中用到的空氣動力學(xué)知識。

所有的空氣動力學(xué)都是建立在運(yùn)動定律之上。在航空模型上的空氣動力學(xué)中，主要運(yùn)用牛頓創(chuàng)立的三大運(yùn)動定律。

 影響升力和阻力的因素 

作用在飛行器上的空氣動力，包括升力和阻力，這是由于空氣本身是有質(zhì)量造成的。要產(chǎn)生支持力，氣團(tuán)必須被加速以產(chǎn)生向上的支持力，要達(dá)到平衡，則支持力必須等于重力。飛機(jī)在飛行中，機(jī)翼穿過氣流，從而引起擾動，除了機(jī)翼外，飛機(jī)的其他部分，如機(jī)身、尾翼、起落架等也會引起擾動，也會產(chǎn)生能力損失，這樣就得不到對升力的貢獻(xiàn)。因此，產(chǎn)生升力如果耗費(fèi)的能力越多，則飛行器的效率越低。

航模飛行所需的空氣質(zhì)量取決于3個因素：給定空間中的空氣量，即航模飛行空間的空氣密度；航模的尺寸；航模飛行的速度或速率。

01   空氣密度

空氣是由多種混合物構(gòu)成，可認(rèn)為是無數(shù)獨(dú)立的分子組成，他們都處于劇烈的運(yùn)動狀態(tài)。氣體的溫度是衡量這種運(yùn)動劇烈程度的一種尺度，溫度低時分子運(yùn)動比溫度高時要緩慢。運(yùn)動的分子碰撞到浸沒在其中的物體，產(chǎn)生了氣體壓力。密度是考量給定空間中分子數(shù)目多少的一個衡量尺度。在航模低速空氣動力學(xué)中，研究空氣的分子組成是不需要的，航模飛行的介質(zhì)是流體，不是說空氣是液體。液體是一種在一定條件下幾乎不可壓縮的流體，而氣體是可壓縮的流體。航模飛機(jī)的飛行速度遠(yuǎn)達(dá)不到要考慮空氣可壓縮性的程度。空氣可壓縮性的問題一般只在處理噴氣動力飛機(jī)、螺旋槳翼尖和直升機(jī)旋翼問題時考慮。在高海拔和高溫環(huán)境中，空氣密度比貼近海平面和低溫環(huán)境中要低。航模愛好者在高原地區(qū)和在平原地區(qū)飛飛機(jī)時是有一定的控制區(qū)別的，空氣的潮濕程度也會影響密度。干燥的空氣比潮濕的空氣更加稠密，濕度因此會對升力產(chǎn)生影響，滑翔機(jī)飛行員可以利用熱空氣幫助滑翔機(jī)進(jìn)行滑翔。空氣動力學(xué)中，將海平面附近常溫常壓下空氣密度定義為1.225kg/m3。

02    模型尺寸

一個尺寸較大的飛行器，當(dāng)它飛行在標(biāo)準(zhǔn)大氣中時，必然產(chǎn)生更大的擾流，所以在相同速度下，要比尺寸小的模型產(chǎn)生更大的空氣作用力，這個作用力包括升力和阻力。

翼展載荷是模型重量和翼展的比，表示重量和每單位長度的比值。翼展載荷是一個非常重要的參數(shù)，一個較大翼展的模型在相同速度下要比翼展小的模型掃過更多的空氣。在獲得同樣的空氣作用下，被掃過的空氣質(zhì)量越大，所需加速度就越小。模型尺寸可以用機(jī)翼面積來表示。

03    速度

   在模型的翼展和面積一定時，高速飛行對氣團(tuán)產(chǎn)生的擾動比低速大。迎角和配平模型獲得升力的能力，幾乎取決于機(jī)翼和機(jī)翼相對來流的迎角，迎角的基準(zhǔn)一般是弦線。

弦線指連接翼型的前緣和后緣兩個端點(diǎn)的一條直線。氣動迎角是氣流實(shí)際與機(jī)翼的夾角。氣動迎角與幾何迎角不同，傳統(tǒng)模型中機(jī)翼的迎角（幾何迎角和氣動迎角）大小主要取決于機(jī)翼和尾翼的相對變化。尾翼的主要功能是配平飛機(jī)，使之達(dá)到預(yù)定的迎角并保持這個迎角。

尾翼和機(jī)翼相對機(jī)身的安裝角，必須與相對氣流的迎角區(qū)分開來。機(jī)身可能與來流方向不一致。尾翼有時會設(shè)計(jì)成正V型布局或倒V型布局，此時飛機(jī)的配平、俯仰和偏航穩(wěn)定性的操縱都由V型尾翼的兩個翼面來完成。除正常式的機(jī)翼-尾翼-垂直安定面布局外，還有很多其他布局形式。如無尾翼式布局，串列式布局，三角翼布局，鴨式布局等。

鴨式布局指一個小載荷的機(jī)翼位于主機(jī)翼前的布局。由一對機(jī)翼或是另外的機(jī)翼承載多數(shù)載荷還是全部載荷，是一個涉及到配平和重心位置的問題。

 翼型剖面和升力系數(shù) 

機(jī)翼的效率受翼型的影響極大，在一定程度上是受翼型彎度的影響和厚度的影響。模型的機(jī)身和其他部件也能產(chǎn)生一定的升力，大小取決于他們的外形和迎角。對于一般的模型來說，機(jī)身對升力的貢獻(xiàn)是很小的。但機(jī)身會產(chǎn)生一些與升力可比擬的力，它影響著模型飛機(jī)的穩(wěn)定性，而且總是與飛行器處于給定迎角下的安定面的配平作用力相反。相似的橫側(cè)向不穩(wěn)定擾動，由垂直安定面來阻止。

為了研究方便，空氣動力學(xué)家們將所有的非常復(fù)雜的機(jī)翼外形和配平等因素匯總簡化為一個系數(shù)，即升力系數(shù)。這個系數(shù)可以說明一個模型或其任意部件產(chǎn)生的升力情況。比如升力為1.3的比1.0的能產(chǎn)生更大的升力。

影響升力的因素是模型的尺寸或面積、速度、空氣密度和升力系數(shù)。

飛行愛好者不能控制空氣密度，但可以通過控制模型的機(jī)翼迎角來獲得更高的升力系數(shù)，也可以增加機(jī)翼面積，盡管這會增加模型的重量，并且導(dǎo)致飛行速度的增加。在其他參數(shù)不變的情況下，小幅度的增加速度，就會導(dǎo)致升力大幅度增加。在給定面積、配平情況下，一個較重的飛機(jī)必須比較輕的飛機(jī)飛的快才行，但增加速度意味著消耗更多的能量。在某些情況下，可能模型發(fā)動機(jī)提供不了足夠的動力來保證飛行。