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1、旋翼無人機,一.伯努利定律 二.旋翼無人機的分類及主流布局形式 三.單旋翼帶尾槳式無人直升機 四.共軸無人直升機 五.多軸無人旋翼機 六.旋翼組成與結構 七.直升機的運動,一.伯努利定律 1.定義 2.壓力與速度（壓力和速度成反比） 3.伯努利定律方程,一.伯努利定律,定義：當氣流遇上任何物體，在一個流體系統(tǒng)，比如氣流、水流中，流速越快，流體產生的壓力就越小，這就是被稱為“流體力學之父”的丹尼爾伯努利1738年發(fā)現(xiàn)的“伯努利定律,這個壓力產生的力量是巨大的，空氣能夠托起沉重的飛機，就是利用了伯努利定律。飛機機翼的上表面是流暢的曲面，下表面則是平面。這樣，機翼上表面的氣流速度就大于下表面的氣
2、流速度，所以機翼下方氣流產生的壓力就大于上方氣流的壓力，飛機就被這巨大的壓力差“托住”了。當然了，這個壓力到底有多大，一個高深的流體力學公式“伯努利方程”會去計算它。,伯努利方程 v=流動速度 g=地心加速度(地球) h=流體處于的高度(從某參考點計) p=流體所受的壓強 =流體的密度,二.旋翼無人機的分類及主流布局形式 1.旋翼的分類 a.按起飛重量 b.按結構形式,1.旋翼的分類 a.按起飛重量分類 （1）微型 空機質量7kg （2）輕型 7Kg空機質量116kg （3）小型 116kg空機質量5700kg （4）大型 空機質量5700kg
3、,b.按結構形式分類： 旋翼航空器是一種重于空氣的航空器，其在空中飛行的升力由一個或多個旋翼與空氣進行相對運動的反作用獲得，與固定翼航空器為相對的關系。 現(xiàn)代旋翼無人機主要包括單旋翼帶尾槳無人直升機、共軸無人直升機以及進年來發(fā)展的多軸無人飛行器。,一.單旋翼帶尾槳式無人直升機,1.認識 2.尾槳作用 3.單旋翼帶尾槳式無人直升機的優(yōu)缺點 4.旋翼的布局和工作參數(shù)選擇 （1）旋翼的旋轉方向 （2）從氣動特性來的差異 5.尾槳的形式與布局 （1）尾槳的安裝位置與旋轉方向 （2）推式尾槳與拉式尾槳,1.單旋翼帶尾槳式無人直升機 ， 它裝有一個旋翼和一個尾槳。
4、 2.旋翼的反作用力矩，由尾槳拉 力相對于直升機重心所構成的偏 轉力矩來平衡。,3.單旋翼帶尾槳直升機優(yōu)缺點： 優(yōu)點：構造簡單，操縱靈便 缺點：尾槳及其傳動系統(tǒng)重量較大，槳葉葉片少、轉速快、噪音大，維持其轉動需消耗710%的動力，尾槳暴露在外，增加空氣阻力，危及作業(yè)安全，大多數(shù)直升機事故是由于尾槳槳葉與作業(yè)人員、樹木、建筑物、電桿或輸電線相碰引起的,4.旋翼的布局和工作參數(shù)選擇 （1）旋翼的旋轉方向 主旋翼當然也可以順時針旋轉，順時針還是逆時針，兩者之間沒有優(yōu)劣之分。有意思的是，美、英、德、意、日直升機的主旋
5、翼都是逆時針旋轉，法、俄、中、印、波蘭直升機都是順時針旋轉，英、德、意、日的直升機工業(yè)都是從美國引進許可證開始的，和美國采用相同的習慣可以理解，中、印、波蘭是從前蘇聯(lián)和法國引進許可證開始的，和法、俄的習慣相同也可以理解，但美國和俄羅斯為什么從一開始選定不同的方向，法國為什么不和選美國一樣的方向，而和俄羅絲一致。,我國直升機中“黑鷹”和”直-8“是俯視逆時針旋轉機翼，其他機型都是俯視順時針旋翼。 （2）從氣動特性來說，兩者并沒有很明顯的差別。但是對有人機來說，如果采用并列式雙駕駛員座艙，并指定左座為機長位置，那么是采用俯視順時針旋翼好一些，主要是在懸停和起降中，飛行員的視線與飛行員小臂的移動方
6、向一致，操作動作比較自然的緣故。,5.尾槳形式與布局 （1）尾槳的安裝位置與旋轉方向 尾槳的作用是平衡旋翼產生的反扭矩，單旋翼直升機的尾槳都是安裝在尾梁后部。 尾槳的安裝位置低，可以減小傳動系統(tǒng)的復雜性，有助于減輕結構重量，但是可能處在旋翼尾流中，容易發(fā)生不利的氣動干擾，反之，尾槳的安裝位置高，則可以避免或減少氣動干擾，提高尾槳效率，對提高前飛的穩(wěn)定性也是有利的。,（2）推式尾槳和拉式尾槳 在尾槳拉力方向不變的情況下，可以把尾槳安裝在垂尾左側，也可以安裝在垂尾右側 a.尾槳拉力方向指向直升機對稱面，則為推式尾槳 b.如果尾槳拉力是從對稱面向外指的，則為拉式尾槳,二.共軸無人直升機,1.認識
7、 2.共軸雙旋翼直升機的總體結構特點 （1）結構區(qū)別 （2）結構特點 3.共軸雙旋翼直升機的主要氣動特性 （1）特點 （2）與單旋翼帶尾槳直升機相比，共軸式直升機的主要氣動特點 4.共軸雙旋翼的平飛氣動性與單旋翼的不同,二.共軸無人直升機1.認識：共軸雙旋翼直升機具有繞統(tǒng)一理論軸線一正一反旋轉的上下兩幅旋翼，由于轉向相反，兩副旋翼產生的扭矩在航向不變的飛行狀態(tài)下相互平衡，通過所謂的上下旋翼總距差動產生不平衡扭矩，可實現(xiàn)航向操縱 共軸雙旋翼在直升機的飛行中，即是升力面，又是縱橫和航向的操縱面。,2.共軸雙旋翼直升機的總體結構特點 （1）.結構區(qū)別：共軸式直升機與單旋翼帶尾槳式直升機的主要區(qū)別是
8、采用上下共軸反轉的兩組旋翼用來平衡旋翼扭矩，因而不需要尾槳。 （2）.結構特點： 共軸式直升機一般采用雙垂尾以增加直升機的航向操縱和穩(wěn)定性。 由于沒有尾槳，共軸式直升機消除了單旋翼直升機存在的尾槳故障隱患與在飛行中因尾梁的震動和變形引起的尾槳傳動機構的故障隱患，從而提高了直升機的生存率,3.軸雙旋翼直升機的主要氣動特性 （1）特點：共軸式直升機具有合理的功率消耗、優(yōu)良的操縱性、較小的總體尺寸 （2）與單旋翼帶尾槳直升機相比共軸式直升機的主要氣動特點： a.共軸式直升機具有較高的懸停效率； b.沒有用于平衡反扭矩的尾槳功率耗損； c.空氣動力對稱； d.具有較大的俯仰、橫滾控制力矩；
9、在相同的起飛重量、發(fā)動機功率和旋翼直徑下，共軸式直升機有著更高的懸停升限和爬升率,4.共軸雙旋翼的平飛氣動性與單旋翼的不同 在相同拉力和旋翼直徑下，剛性共軸雙旋翼的誘導阻力比單旋翼低20%30%。由于操縱系統(tǒng)部分和上下旋翼槳轂這些非流型形狀部件的數(shù)量和體積大于單旋翼直升機并暴露在氣流中，因而共軸式直升機的廢阻面積大于單旋翼直升機。 共軸式直升機在懸停、中低速飛行時需要功率小于單旋翼直升機，隨著速度增加需要功率逐漸增大至大于單旋翼直升機，這一特性決定了共軸式直升機有較大的實用升限、較大的爬升速度、更長的續(xù)航時間。而單旋翼直升機則有較大的平飛速度、較大的巡航速度和飛行范圍。,五.多軸無人旋翼機
10、,1.認識 2.結構 3.基本運動原理 垂直運動，俯仰運動，滾轉運動，偏航運動 4.發(fā)展 5.優(yōu)點,（1）定義：多軸無人飛行器又稱多旋翼飛行器。其中最常見的四旋翼為例，有四個旋翼來舉升和推進飛行。 （2）結構：它的四個旋翼大小相同，分布外置對稱；通過調整不同旋翼之間的相對轉速來調節(jié)拉力和扭矩，控制飛行器懸停、旋轉或航線飛行。四軸、四旋翼。這四軸飛行器（Quadrotor）是一種多旋翼飛行器。,（3）基本運動原理 垂直運動，俯仰運動，滾轉運動，偏航運動 （一）垂直運動 圖（a）中，因有兩對電機轉向相反，可以平衡其對機身的 反扭矩，當同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉
11、力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個旋翼轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵。,（二）俯仰運動 圖（b）中，電機1的轉速上升，電機3的轉速下降，電機2、電機4的轉 速保持不變。為了不因為旋翼轉速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉速改變量的大小應相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉（方向如圖所示），同理，當電機1的轉速下降，電機3的轉速
12、上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動,（三）滾轉運動 與圖（b）的原理相同，在圖（c）中，改變電機2和電機4 的轉速，保持電機1和電機3的轉速不變，則可使機身繞x軸旋轉（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉運動。,（四）偏航運動 四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產生的反扭矩來實現(xiàn) 旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起
13、四旋翼飛行器轉動。在圖（d）中，當電機1和電機3的轉速上升，電機2和電機4的轉速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉向與電機1、電機3的轉向相反。因為電機的總升力不變，飛機不會發(fā)會垂直運動,4.發(fā)展 在早期的飛行器設計中，四軸飛行器被用來解決旋翼機的扭矩問題。主副旋翼的設計也可以解決，但副旋翼不能提供升力，效率低，因此，四軸飛行器是最早的一批比空氣重的垂直起降飛行器。但早期的型號性能很差，難于操控和大型化。,5.優(yōu)點：1.旋翼總距固定，結構簡單 2.體積小，重量輕，方便攜帶 3.成本低，能輕
14、易進入人不易進入的各種惡劣環(huán)境,六.旋翼組成與結構,一旋翼 1.旋翼的旋功能 2.旋翼的結構形式 二.尾槳 1.尾槳的功能 三.傳動系統(tǒng)的功能 1.傳動系統(tǒng) 2.操縱系統(tǒng)的功能 3.自動傾斜器的構造,一.旋翼 1.旋翼的旋功能：本質上講旋翼是一個能量轉換部件，它把發(fā)動機通過旋翼軸傳來的旋轉功能轉換成旋翼拉力。旋翼的基本功能產生旋拉力翼。 2.旋翼的結構形式 直升機的旋翼由旋翼軸、槳轂、和2-8片槳葉組成。 旋翼的結構形式主要指旋翼槳葉和槳轂連接的方式，分別有四種代表性的旋翼結構形式,二.尾槳 1.尾槳的功能：在機械驅動的單旋翼直升機上，尾槳是用來平衡的反扭矩；同時通過改變尾槳的推力（或拉力），
15、實現(xiàn)對直升機的航向控制。另外，旋轉的尾槳相當于一個安定面，能對直升機的航向起穩(wěn)定作用。 雖然尾槳的功能與旋翼不同，但是它們都因旋轉而產生空氣動力。 三.傳動系統(tǒng)的功能 1.直升機傳動系統(tǒng)的主要作用是將發(fā)動機的動力傳遞給主旋翼和尾槳。來自發(fā)動機動力輸出上的動力一般先經(jīng)過減速器減速，之后由二級輸出軸動力輸出。對于主旋翼來說，通常情況下動力是通過錐齒輪嚙合傳遞的，而對于尾槳來說，一般機構里會有一根長長的尾傳動軸，在尾部依舊通過錐齒輪傳遞給軸向垂直尾槳。直升機傳動系統(tǒng)使主旋翼傳動起來產生升力，使尾槳協(xié)調轉動平衡扭矩，是直升機最重要的系統(tǒng)之一。,2.操縱系統(tǒng)的功能 操作系統(tǒng)是直升機的重要部件之一，駕駛員
16、必須通過操縱系統(tǒng)來控制直升機的飛行，保持或改變直升機的平衡狀態(tài)。直升機的縱向移動和俯仰運動、橫向移動和滾轉運動是分不開的。 直升機的空間六個自由度，實際上需要四個操縱，分別是總距操縱、縱向操縱、橫向操縱和航向操縱。 3.自動傾斜器的構造,直升機旋翼的揮舞控制機構稱為自動傾斜器，旋翼的總距和周期變距操縱都是靠它來完成的。自動傾斜器，有多種不同的結構形式，但控制機理都是一樣的。 它們在構造上都應滿足三方面要求： 一是能隨旋翼一起同步旋轉， 二是它能沿旋翼軸方向上下移動，以實現(xiàn)總距操縱 三是它能夠向任何方向傾斜，以實現(xiàn)周期變距操縱,七.直升機的運動,直升機在空中有六個自由度，即沿x軸（縱軸）、y軸（主軸）、z軸（橫軸），三個軸的移動和繞著三個軸的轉動,
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