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1、旋翼無(wú)人機(jī),一.伯努利定律 二.旋翼無(wú)人機(jī)的分類(lèi)及主流布局形式 三.單旋翼帶尾槳式無(wú)人直升機(jī) 四.共軸無(wú)人直升機(jī) 五.多軸無(wú)人旋翼機(jī) 六.旋翼組成與結(jié)構(gòu) 七.直升機(jī)的運(yùn)動(dòng),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(dāng)氣流遇上任何物體，在一個(gè)流體系統(tǒng)，比如氣流、水流中，流速越快，流體產(chǎn)生的壓力就越小，這就是被稱(chēng)為“流體力學(xué)之父”的丹尼爾伯努利1738年發(fā)現(xiàn)的“伯努利定律,這個(gè)壓力產(chǎn)生的力量是巨大的，空氣能夠托起沉重的飛機(jī)，就是利用了伯努利定律。飛機(jī)機(jī)翼的上表面是流暢的曲面，下表面則是平面。這樣，機(jī)翼上表面的氣流速度就大于下表面的氣
2、流速度，所以機(jī)翼下方氣流產(chǎn)生的壓力就大于上方氣流的壓力，飛機(jī)就被這巨大的壓力差“托住”了。當(dāng)然了，這個(gè)壓力到底有多大，一個(gè)高深的流體力學(xué)公式“伯努利方程”會(huì)去計(jì)算它。,伯努利方程 v=流動(dòng)速度 g=地心加速度(地球) h=流體處于的高度(從某參考點(diǎn)計(jì)) p=流體所受的壓強(qiáng) =流體的密度,二.旋翼無(wú)人機(jī)的分類(lèi)及主流布局形式 1.旋翼的分類(lèi) a.按起飛重量 b.按結(jié)構(gòu)形式,1.旋翼的分類(lèi) a.按起飛重量分類(lèi) （1）微型 空機(jī)質(zhì)量7kg （2）輕型 7Kg空機(jī)質(zhì)量116kg （3）小型 116kg空機(jī)質(zhì)量5700kg （4）大型 空機(jī)質(zhì)量5700kg
3、,b.按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)： 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(gè)或多個(gè)旋翼與空氣進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的反作用獲得，與固定翼航空器為相對(duì)的關(guān)系。 現(xiàn)代旋翼無(wú)人機(jī)主要包括單旋翼帶尾槳無(wú)人直升機(jī)、共軸無(wú)人直升機(jī)以及進(jìn)年來(lái)發(fā)展的多軸無(wú)人飛行器。,一.單旋翼帶尾槳式無(wú)人直升機(jī),1.認(rèn)識(shí) 2.尾槳作用 3.單旋翼帶尾槳式無(wú)人直升機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 4.旋翼的布局和工作參數(shù)選擇 （1）旋翼的旋轉(zhuǎn)方向 （2）從氣動(dòng)特性來(lái)的差異 5.尾槳的形式與布局 （1）尾槳的安裝位置與旋轉(zhuǎn)方向 （2）推式尾槳與拉式尾槳,1.單旋翼帶尾槳式無(wú)人直升機(jī) ， 它裝有一個(gè)旋翼和一個(gè)尾槳。
4、 2.旋翼的反作用力矩，由尾槳拉 力相對(duì)于直升機(jī)重心所構(gòu)成的偏 轉(zhuǎn)力矩來(lái)平衡。,3.單旋翼帶尾槳直升機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，操縱靈便 缺點(diǎn)：尾槳及其傳動(dòng)系統(tǒng)重量較大，槳葉葉片少、轉(zhuǎn)速快、噪音大，維持其轉(zhuǎn)動(dòng)需消耗710%的動(dòng)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(jī)事故是由于尾槳槳葉與作業(yè)人員、樹(shù)木、建筑物、電桿或輸電線(xiàn)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(zhuǎn)方向 主旋翼當(dāng)然也可以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，順時(shí)針還是逆時(shí)針，兩者之間沒(méi)有優(yōu)劣之分。有意思的是，美、英、德、意、日直升機(jī)的主旋
5、翼都是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，法、俄、中、印、波蘭直升機(jī)都是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，英、德、意、日的直升機(jī)工業(yè)都是從美國(guó)引進(jìn)許可證開(kāi)始的，和美國(guó)采用相同的習(xí)慣可以理解，中、印、波蘭是從前蘇聯(lián)和法國(guó)引進(jìn)許可證開(kāi)始的，和法、俄的習(xí)慣相同也可以理解，但美國(guó)和俄羅斯為什么從一開(kāi)始選定不同的方向，法國(guó)為什么不和選美國(guó)一樣的方向，而和俄羅絲一致。,我國(guó)直升機(jī)中“黑鷹”和”直-8“是俯視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)機(jī)翼，其他機(jī)型都是俯視順時(shí)針旋翼。 （2）從氣動(dòng)特性來(lái)說(shuō)，兩者并沒(méi)有很明顯的差別。但是對(duì)有人機(jī)來(lái)說(shuō)，如果采用并列式雙駕駛員座艙，并指定左座為機(jī)長(zhǎng)位置，那么是采用俯視順時(shí)針旋翼好一些，主要是在懸停和起降中，飛行員的視線(xiàn)與飛行員小臂的移動(dòng)方
6、向一致，操作動(dòng)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(zhuǎn)方向 尾槳的作用是平衡旋翼產(chǎn)生的反扭矩，單旋翼直升機(jī)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(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，有助于減輕結(jié)構(gòu)重量，但是可能處在旋翼尾流中，容易發(fā)生不利的氣動(dòng)干擾，反之，尾槳的安裝位置高，則可以避免或減少氣動(dòng)干擾，提高尾槳效率，對(duì)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(cè)，也可以安裝在垂尾右側(cè) a.尾槳拉力方向指向直升機(jī)對(duì)稱(chēng)面，則為推式尾槳 b.如果尾槳拉力是從對(duì)稱(chēng)面向外指的，則為拉式尾槳,二.共軸無(wú)人直升機(jī),1.認(rèn)識(shí)
7、 2.共軸雙旋翼直升機(jī)的總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （1）結(jié)構(gòu)區(qū)別 （2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 3.共軸雙旋翼直升機(jī)的主要?dú)鈩?dòng)特性 （1）特點(diǎn) （2）與單旋翼帶尾槳直升機(jī)相比，共軸式直升機(jī)的主要?dú)鈩?dòng)特點(diǎn) 4.共軸雙旋翼的平飛氣動(dòng)性與單旋翼的不同,二.共軸無(wú)人直升機(jī)1.認(rèn)識(shí)：共軸雙旋翼直升機(jī)具有繞統(tǒng)一理論軸線(xiàn)一正一反旋轉(zhuǎn)的上下兩幅旋翼，由于轉(zhuǎn)向相反，兩副旋翼產(chǎn)生的扭矩在航向不變的飛行狀態(tài)下相互平衡，通過(guò)所謂的上下旋翼總距差動(dòng)產(chǎn)生不平衡扭矩，可實(shí)現(xiàn)航向操縱 共軸雙旋翼在直升機(jī)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(jī)的總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （1）.結(jié)構(gòu)區(qū)別：共軸式直升機(jī)與單旋翼帶尾槳式直升機(jī)的主要區(qū)別是
8、采用上下共軸反轉(zhuǎn)的兩組旋翼用來(lái)平衡旋翼扭矩，因而不需要尾槳。 （2）.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 共軸式直升機(jī)一般采用雙垂尾以增加直升機(jī)的航向操縱和穩(wěn)定性。 由于沒(méi)有尾槳，共軸式直升機(jī)消除了單旋翼直升機(jī)存在的尾槳故障隱患與在飛行中因尾梁的震動(dòng)和變形引起的尾槳傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障隱患，從而提高了直升機(jī)的生存率,3.軸雙旋翼直升機(jī)的主要?dú)鈩?dòng)特性 （1）特點(diǎn)：共軸式直升機(jī)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(jī)相比共軸式直升機(jī)的主要?dú)鈩?dòng)特點(diǎn)： a.共軸式直升機(jī)具有較高的懸停效率； b.沒(méi)有用于平衡反扭矩的尾槳功率耗損； c.空氣動(dòng)力對(duì)稱(chēng)； 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(dòng)機(jī)功率和旋翼直徑下，共軸式直升機(jī)有著更高的懸停升限和爬升率,4.共軸雙旋翼的平飛氣動(dòng)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(dǎo)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(jī)并暴露在氣流中，因而共軸式直升機(jī)的廢阻面積大于單旋翼直升機(jī)。 共軸式直升機(jī)在懸停、中低速飛行時(shí)需要功率小于單旋翼直升機(jī)，隨著速度增加需要功率逐漸增大至大于單旋翼直升機(jī)，這一特性決定了共軸式直升機(jī)有較大的實(shí)用升限、較大的爬升速度、更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。而單旋翼直升機(jī)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(wú)人旋翼機(jī)
10、,1.認(rèn)識(shí) 2.結(jié)構(gòu) 3.基本運(yùn)動(dòng)原理 垂直運(yùn)動(dòng)，俯仰運(yùn)動(dòng)，滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，偏航運(yùn)動(dòng) 4.發(fā)展 5.優(yōu)點(diǎn),（1）定義：多軸無(wú)人飛行器又稱(chēng)多旋翼飛行器。其中最常見(jiàn)的四旋翼為例，有四個(gè)旋翼來(lái)舉升和推進(jìn)飛行。 （2）結(jié)構(gòu)：它的四個(gè)旋翼大小相同，分布外置對(duì)稱(chēng)；通過(guò)調(diào)整不同旋翼之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)拉力和扭矩，控制飛行器懸停、旋轉(zhuǎn)或航線(xiàn)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(yùn)動(dòng)原理 垂直運(yùn)動(dòng)，俯仰運(yùn)動(dòng)，滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，偏航運(yùn)動(dòng) （一）垂直運(yùn)動(dòng) 圖（a）中，因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)機(jī)身的 反扭矩，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉
11、力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。,（二）俯仰運(yùn)動(dòng) 圖（b）中，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn) 速保持不變。為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)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(zhuǎn)速改變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速
12、上升，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng),（三）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 與圖（b）的原理相同，在圖（c）中，改變電機(jī)2和電機(jī)4 的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。,（四）偏航運(yùn)動(dòng) 四旋翼飛行器偏航運(yùn)動(dòng)可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn) 旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線(xiàn)上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起
13、四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖（d）中，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。因?yàn)殡姍C(jī)的總升力不變，飛機(jī)不會(huì)發(fā)會(huì)垂直運(yùn)動(dòng),4.發(fā)展 在早期的飛行器設(shè)計(jì)中，四軸飛行器被用來(lái)解決旋翼機(jī)的扭矩問(wèn)題。主副旋翼的設(shè)計(jì)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(hào)性能很差，難于操控和大型化。,5.優(yōu)點(diǎn)：1.旋翼總距固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 2.體積小，重量輕，方便攜帶 3.成本低，能輕
14、易進(jìn)入人不易進(jìn)入的各種惡劣環(huán)境,六.旋翼組成與結(jié)構(gòu),一旋翼 1.旋翼的旋功能 2.旋翼的結(jié)構(gòu)形式 二.尾槳 1.尾槳的功能 三.傳動(dòng)系統(tǒng)的功能 1.傳動(dòng)系統(tǒng) 2.操縱系統(tǒng)的功能 3.自動(dòng)傾斜器的構(gòu)造,一.旋翼 1.旋翼的旋功能：本質(zhì)上講旋翼是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換部件，它把發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)旋翼軸傳來(lái)的旋轉(zhuǎn)功能轉(zhuǎn)換成旋翼拉力。旋翼的基本功能產(chǎn)生旋拉力翼。 2.旋翼的結(jié)構(gòu)形式 直升機(jī)的旋翼由旋翼軸、槳轂、和2-8片槳葉組成。 旋翼的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式,二.尾槳 1.尾槳的功能：在機(jī)械驅(qū)動(dòng)的單旋翼直升機(jī)上，尾槳是用來(lái)平衡的反扭矩；同時(shí)通過(guò)改變尾槳的推力（或拉力），
15、實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的航向控制。另外，旋轉(zhuǎn)的尾槳相當(dāng)于一個(gè)安定面，能對(duì)直升機(jī)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(zhuǎn)而產(chǎn)生空氣動(dòng)力。 三.傳動(dòng)系統(tǒng)的功能 1.直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給主旋翼和尾槳。來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出上的動(dòng)力一般先經(jīng)過(guò)減速器減速，之后由二級(jí)輸出軸動(dòng)力輸出。對(duì)于主旋翼來(lái)說(shuō)，通常情況下動(dòng)力是通過(guò)錐齒輪嚙合傳遞的，而對(duì)于尾槳來(lái)說(shuō)，一般機(jī)構(gòu)里會(huì)有一根長(zhǎng)長(zhǎng)的尾傳動(dòng)軸，在尾部依舊通過(guò)錐齒輪傳遞給軸向垂直尾槳。直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)使主旋翼傳動(dòng)起來(lái)產(chǎn)生升力，使尾槳協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)平衡扭矩，是直升機(jī)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(jī)的重要部件之一，駕駛員
16、必須通過(guò)操縱系統(tǒng)來(lái)控制直升機(jī)的飛行，保持或改變直升機(jī)的平衡狀態(tài)。直升機(jī)的縱向移動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)、橫向移動(dòng)和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是分不開(kāi)的。 直升機(jī)的空間六個(gè)自由度，實(shí)際上需要四個(gè)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(dòng)傾斜器的構(gòu)造,直升機(jī)旋翼的揮舞控制機(jī)構(gòu)稱(chēng)為自動(dòng)傾斜器，旋翼的總距和周期變距操縱都是靠它來(lái)完成的。自動(dòng)傾斜器，有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，但控制機(jī)理都是一樣的。 它們?cè)跇?gòu)造上都應(yīng)滿(mǎn)足三方面要求： 一是能隨旋翼一起同步旋轉(zhuǎn)， 二是它能沿旋翼軸方向上下移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)總距操縱 三是它能夠向任何方向傾斜，以實(shí)現(xiàn)周期變距操縱,七.直升機(jī)的運(yùn)動(dòng),直升機(jī)在空中有六個(gè)自由度，即沿x軸（縱軸）、y軸（主軸）、z軸（橫軸），三個(gè)軸的移動(dòng)和繞著三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng),
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