固定翼无人机的飞行阻力

自学任务

附面层的基本概念

附面层的定义

附面层：

是指空气流过固定翼无人机时，贴近固定翼无人机表面、气流速度由层外主流速度逐渐降低为零的那一层空气流动层。★重点内容

当有黏性的空气流过固定翼无人机时，紧贴固定翼无人机表面的一层空气，与固定翼无人机表面发生黏性摩擦，这一层空气完全黏附在固定翼无人机表面上，气流速度降低为零。紧靠这静止空气层的外面第二气流层，因受这静止空气层黏性摩擦的作用，气流速度也要降低，但这种作用要弱些，因此气流速度不会降低为零。再往外，第三气流层又要受第二气流层黏性摩擦的作用，气流速度也要降低，但这种作用更弱些，因此气流速度降低就更少些。这样，沿垂直于固定翼无人机表面的方向，从固定翼无人机表面向外，由于黏性摩擦作用的减弱，气流速度就一层一层的逐渐增大，到附面层边界，就和主流速度相等了。这层气流速度由零逐渐增大到主流速度的空气层，就是附面层。

附面层的厚度很薄，而且与物面的长度成正比，即物面长度越大，附面层越厚，。在固定翼无人机机翼上形成的附面层一般都是很薄的，厚度大的只有几厘米；螺旋桨上的附面层更薄，只有几毫米；可是巨型飞船和海轮船舷上的附面层，其厚度可达几十厘米，甚至半米。

层流附面层和紊流附面层

附面层按其性质不同，可分为层流附面层和紊流附面层。★重点内容

就固定翼无人机机翼而言，一般在最大厚度以前，附面层的气流各层不相混杂而分层流动，这部分叫层流附面层。在这之后，气流流动转变为杂乱无章，并且出现了旋涡和横向运动，这部分叫紊流附面层。层流转变为紊流的点叫分离点。紊流附面层厚度比层流附面层的厚，而且紊流附面层底部气流的横向速度梯度也比层流附面层大得多。在紊流附面层内，流体微团紊乱无章地上下运动也使气流地能量大量消耗，这说明在紊流附面层地底层，物体表面对气流地黏性阻滞作用要比在层流附面层地底层大得多

层流翼型是一种为使翼表面保持大范围的层流，以减小阻力而设计的翼型。与普通翼型相比，层流翼型的最大厚度位置更靠后缘，前缘半径较小，上表面比较平坦，能使翼表面尽可能保持层流流动，从而可减少摩擦阻力。层流翼型基本原理是在气流达到接近机翼后缘升压区之前，尽可能在更长的距离上继续加速，就可以推迟由层流向湍流的转捩。

固定翼无人机飞行阻力的类型和特性

空气阻力关系图

摩擦阻力

摩擦阻力：★重点内容

当空气流过无人机表面时，由于黏性，空气同无人机表面发生摩擦，会产生一个阻止无人机前进的力，这个力就是摩擦阻力。固定翼无人机摩擦阻力的大小，取决于空气的黏性，固定翼无人机的表面状况，以及同空气相接触的固定翼无人机的表面积。空气黏性越大，固定翼无人机表面越粗糙，固定翼无人机表面积越大，摩擦阻力就越大。

附面层内的摩擦阻力与附面层的性质有很大关系。实验表明，紊流附面层的摩擦阻力要比层流附面层的摩擦力大得多。因此，尽可能在机翼上保持层流附面层，对于减小阻力是有利的。所谓层流翼型，就是这样设计的。

压差阻力

压差阻力：★重点内容

相对气流流过机翼时，机翼前缘的气流受阻，流速减慢，压力增大；而机翼后缘气流分离，形成涡流区，压力减小。这样，机翼前后产生压力差形成阻力，这个阻力称为压差阻力。

压差阻力与物体的迎风面积、形状和物体在气流中的相对位置有很大关系。物体的迎风面积越大，压差阻力也就越大。因此，在保证装载所需容积的情况下，为了减小机身的迎风面积，机身横截面的形状应采取圆形或近似圆形，因为相同体积下圆形的面积数小。

物体形状对压差阻力的影响可以从图中看出来，把一块平板垂直地放在气流中。在平板前面气流被阻滞，压力升高；平板后面会产生大量的涡流，造成气流分离而形成低压区。这样它的前后会形成很大的压差阻力。把一个迎风面积和平板相同的球体放在气流中，引起前段气流随着球体曲线平滑流过，后面的涡流效应也会有所减小，压差阻力减小10%；把一个体积和球体相同的椭圆体放在流体中，前段气流受阻更明显减小，流体运动更顺畅，且后端涡流情况也得到更好的改善，压差阻力会减小40%；把一种前端圆钝、后端尖细‘像水滴或雨点似的流线型物体放在气流中，物体的压差阻力则会减小90%，而如果把一个平板水平放在一个流体中，压差阻力近似不存在，但是由于上下表面与流体最大程度接触，由于空气流体具有黏性，摩擦阻力会增加到极致。

诱导阻力

诱导阻力：★重点内容

固定翼无人机机翼上除了产生摩擦阻力和压差阻力以外，由于升力地产生，还要产生一种由于产生升力而诱导出来的附加阻力称为诱导阻力。因为升力的产生来源于机翼上、下表面的压强差，即下表面的压强大于上表面。翼尖附近的气流在压差的作用下会由下向上绕，这样既减小了升力，又产生了阻力，这就是诱导阻力。可以说，诱导阻力是为产生升力而付出的一种“代价"。

刚才说下翼面地高压气流会绕过两端翼尖，力图向上翼面地低压区流去，当气流绕过翼尖时，在翼尖部分就会行成漩涡，这种漩涡地不断产生而又不断地向后流去即形成了翼尖涡流。

下洗气流和翼尖小翼

翼尖涡流使流过机翼的空气产生下洗速度，向下倾斜形成下洗气流。气流方向向下倾斜的角度，叫做下洗角。

在翼尖加装翼梢小翼会阻挡翼尖涡流的翻转，削弱涡流强度，减小外翼气流的下洗速度，从而减小诱导阻力。★重点内容

干扰阻力

干扰阻力：

就是固定翼无人机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外的阻力。★重点内容

以机翼和机身为例，气流流过机翼和机身的连接处，在机翼和机身结合的中部，由于机翼表面和机身表面都向外凸出，流管收缩，流速迅速加快，压力很快降低。而在后部由于机翼表面和机身表面都向内弯曲，流管扩张，流速减慢，压力很快增高。这种压力的变化，就促使气流的分离点前移，并使机身和机翼结合处后部涡流区扩大，从而产生了一种额外的阻力。这一阻力是因气流的干扰而产生的，因此叫干扰阻力。不但机翼和机身结合处会产生干扰阻力，而且在机身和尾翼，机翼和发动机舱，机翼和副油箱等结合处，都可能产生。从干扰阻力产生的原因来看，其和固定翼无人机不同部件之间的相对位置有关。因此为了减小干扰阻力，在固定翼无人机设计中，应仔细考虑它们的相对位置，使得气流流过它们之间时压强增大得不多也不快，就可使干扰阻力降低。例如，对于机翼和机身之间的干扰阻力来说，中单翼干扰阻力最小，下单翼最大，上单翼居中。

为了减小干扰阻力，除了在设计固定翼无人机时要考虑固定翼无人机各部分的相对位置外，在机翼与机身、机身与尾翼等结合部，可安装整流包皮。这样可使连接处较为圆滑，流管不致过分扩张，而产生气流分离。

★重点内容

总阻力

固定翼无人机各种类型的阻力中，只有诱导阻力与升力有关，称为升致力，是产生升力必须付出的“代价"；而摩擦阻力、压差阻力和干扰阻力都与升力的大小无关，通常称为零升力阻力、寄生阻力或废阻力。固定翼无人机的总阻力是诱导阻力和寄生阻力之和。在低速飞行时，为了得到足够的升力，固定翼无人机要以加大的迎角飞行，这样才能保证机翼上下表面的压力差较大，形成的翼尖涡流的强度较大，则诱导阻力大；反之，飞行速度高时，则诱导阻力小。因此，诱导阻力是随着飞行速度的增大而降低的。寄生阻力包括摩擦阻力，而摩擦阻力是由于气的黏性而产生的，飞行速度越高，固定翼无人机表面对气流的阻滞力越大，摩擦阻力越大，而寄生阻力也越大，所以寄生阻力是随着速度的增大而增大的。在低速（起飞和着陆）时，诱导阻力大于寄生阻力，诱导阻力占支配位置；在巡航飞行时，寄生阻力占主导地位。诱导阻力和寄生阻力相等时，总阻力最小，此时升阻比最大。寄生阻力的大小随速度的增大而增大，与速度的平方成正比。★重点内容

飞行器在每个速度下的总阻力由总的诱导阻力和所有其他的阻力（寄生阻力）组成。在诱导阻力等于其他阻力和（寄生阻力）的地方，阻力达到最小值。 ★重点内容