by James Huang 

5 4 月, 2020

無人機學科 飛行原理

遙控無人機操作證考試已於2020年3月31日正式啟動,考試分為「學科」及「術科」測驗兩階段,學科測驗已於3月16日開放報名並於4月率先登場,民航局提供的「遙控無人機學科測驗規範」內容很冗長,為了方便記憶,站長這邊首先針對「基礎飛行原理篇」整理出重點歸納,提供給各位朋友參考內容皆參考自《民航局遙控無人機學科測驗規範 》所做的系統性整理,希望對有考照需求的朋友們有更進一步的幫助,詳細內容請大家熟讀《民航局遙控無人機學科測驗規範 》

那麼......我們開始吧!!


何謂航空器?

航空器定義

航空器係指任何藉空氣之反作用力,非藉空氣對地球表面之反作用力,得以飛航於大氣中之器物遙控無人機亦為航空器的㇐種。由於遙控無人機具有比空氣重的航空器特性,無法單單只藉由空氣的浮力而上升,所以需要相對應的能量,來讓遙控無人機在空中飛行。因此利用了噴射推力或是螺旋槳的拉力,來使航空器產生升力進而在空中飛行。

遙控無人機亦屬航空器的一種


航空器的牛頓運動定律

無人機學科 飛行原理

牛頓運動定律

描述施加於物體的外力與物體所呈現出的運動彼此之間的關係。這定律被譽為古典力學的基礎,是英國物理泰斗艾薩克·牛頓所提出的三條運動定律的總稱。

牛頓運動定律(Newton's laws of motion)提供了航空器如何保持飛行的㇐些基礎觀念。

牛頓第㇐定律(慣性)

又稱「慣性定律」。亦即除非受到外力的影響,否則靜止的物體會保持在靜止的狀態,而行進間的物體,則會保持直線運動。操作人只要施加壓力,就可改變物體的方向或速度。例如,若飛機在地面上完全靜止著,慣性會使得飛機處於㇐個完全靜止的狀態。若飛機保持固定的空速以直線行進,慣性則會使得飛機持續保持穩定的直線飛行。


牛頓第二定律(加速度)

又稱「加速度定律」。亦即當物體受到所施加的力等於每次的動量變化。其加速度與物體的質量成反比,並與所施加的力成正比。這是考慮到為克服牛頓第㇐定律的因素,並涵蓋了方向和速度的變化,包括從靜止開始(正向加速)到停止(負向加速或減速)例如,遙控無人機於頂風飛行時,飛行速度就會變慢。若風從任㇐方向吹來,倘若操作人沒有隨之修正,那航向就會受到風所施加的力而改變。

牛頓第三定律(作用力)

對於每㇐個作用力,都有㇐個相等且相反的反作用力。例如,噴射機將燃燒的熱氣體往後推送以施加作用力,相對的有相等且相反的反作用力,將飛機往前推進。








航空器的基本四力

無論何種構造的航空器(或遙控無人機),在空中飛行及前進時,都會受到升力、推力、阻力、重力這4個力相互作用的影響(如圖10)。因此對於這4力的認識程度,也將影響到基本的操縱技巧,甚至是對於緊急狀況處置時的觀念應用。推力由發動機提供,阻力由空氣產生,升力由機翼提供,重力由地心引力產生。我們可以把力分解為兩個方向的力:稱縱軸(X)垂直軸(Z軸),無人機等速直線飛行時X方向阻力與推力大小相同方向相反,故X方向合力為零,無人機速度不變,Z方向升力與重力大小相同方向相反,故Z方向合力亦為零,遙控無人機無升降起伏,保持等速直線飛行。

4力相互抵消,合力為零的情況下,靜止的物體會保持在靜止的狀態,而在行進間的物體,則會保持直線運動。

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圖片來源:民航局

升力 (Lift)

關於如何產生升力,使㇐個重於空氣的航空器能夠飛行於空中的問題,有兩個重要的基本理論:流體的連續性(Continuity Equation柏努利定律(Bernoulli's Law

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流體的連續性:「質量守恆」

「質量守恆」:不論管道粗細.同一時間內,流體流入質量=流出質量。

流體(包括液體和氣體)連續運動流經㇐個切面面積變化的管道時,連續性假設認為流體足夠緻密,可以成為㇐連續體,而非離散的分子,因此在同㇐時間內,流進任㇐切面的流體質量和從另㇐切面流出的流體質量是相等的。

#公式:Q(流量) = A(面積) X V(流速) = 定值

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柏努利定律

無黏性流體的流動速度增加時,流體的壓力能或位能總和將減少;簡單的說,流體在㇐個管道中流動時,流速和壓力間的關係:流速大的地方壓力小,流速小的地方壓力大。換句話說,如果流體的速度越快,流體中的壓力就會越小。這就說明了氣流在通過飛機機翼上方表面時的情況。

#流體在一個管道中流動時:

流速大–>壓力小/流速小–>壓力大/質量守恆:Q=AV

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圖片來源:民航局

升力的產生

►無人飛機(固定翼無人航空器)升力來源:固定的機翼。

航空器的機翼(或旋翼)是升力產生的地方,當氣流流過機翼時,氣流被機翼前緣分流為上下兩股,分別是上股氣流A和下股氣流B,氣流A沿著機翼上表面S1的路徑流過機翼,氣流B沿著機翼下表S2的路徑流過機翼,依據柏努利定律,因為S1的路徑距離大於S2,所以沿著S1的氣流A速度較快、壓力較低,而沿著S2的氣流B速度較慢、壓力較高,而此上下兩股氣流的壓力差便產生向上的升力。

圖片來源:民航局

無人直昇機與無人多旋翼機升力來源:旋翼的轉動。

根據牛頓第三定律,旋翼旋轉時,會有反向扭矩,而無人直升機採用副翼來平衡姿態,多旋翼無人機可以通過相鄰的的旋翼反向旋轉,以抵消扭矩,這樣就可以實現空中懸停。如果需要轉向,則可以空中相鄰兩邊的旋翼轉數產生傾角旋轉力,這樣就可以實現無人機的轉向姿態調整。

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迷思與結論: 無人機上升理論-牛頓第三定律

與文氏管實驗來比較,柏努力定律用於機翼的上升理論時,無法正確解釋是什麼導致了無人機機翼上方的流速加快,進而造成壓力差,那到底什麼才是導致飛機上升的主要原因呢?


ANSWER: 牛頓第三定律:作用力與反作用力

氣流經過機翼時,機翼會對空氣施加向下的力,根據牛頓第三定律,空氣必須對機翼施加大小相等、方向相反的反作用力,也就是方向朝上的升力。

柏努利定律對於航空器上升理論,無法做出有根據的解釋。相對地,牛頓第三運動定律可以明確解釋出上升作用力的來源,因此在準備學科考試的朋友,一定要釐清這項迷思,當然在考試的時候,當然還是選擇柏努利定律,只是目前牛頓第三運動定律的解釋更加有力,這邊提供另一個論點給大家參考。

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推力 (Thrust)

依據牛頓第三運動定律(作用力等於反作用力),由螺旋槳所產生的拉力或噴射發動機所產生的推力,使無人飛機前進飛行。

無人直昇機:利用旋翼面傾轉。

無人多旋翼機:利用數個旋翼間彼此協調方式,自原有升力中產生向前的推力分量。

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螺旋槳推力

螺旋槳推力是藉由槳葉本身的攻角設計與發動機所輸出的轉速而成。螺旋槳轉速通常以每分鐘轉數(Revolution Per Minute, RPM)來表示。

無人機學科 飛行原理

螺旋槳攻角

以無人飛機螺旋槳為例,螺旋槳攻角最大的位置在槳葉的根部,從根部(攻角最大)開始遞減到槳尖端(攻角最小)。

螺旋槳在原廠設計時,是依據發動機的轉速和空速做為基礎,精密計算後設計出符合最佳使用效率的槳葉角度,大型無人飛機甚至會採用可變槳葉角度的螺旋槳。

無人直昇機的旋翼

改變角度

無人多旋翼機的旋翼

改變轉速


阻力 (Drag)

航空器於飛行中,在空氣裡會產生各種阻力。阻力是與飛機運動方向相反的空氣動力,它阻礙飛機的前進。按阻力產生的原因大致可分為寄生阻力誘導阻力兩大類。對於飛行的航空器而言,除了也有這些阻力外,飛行速度接近音速時,還會另外產生震波阻力。

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►寄生阻力

  • 摩擦阻力:當空氣流過航空器表面時,由於空氣粘性的關係,空氣與航空器表面發生摩擦,產生㇐個阻止航空器前進的力,這個力就是摩擦阻力。摩擦阻力的大小,決定於空氣的粘性、航空器的表面光滑度,以及航空器與空氣相接觸的表面積。空氣粘性越大、航空器表面越粗糙、航空器表面積越大,摩擦阻力就越大。
  • 形狀阻力:由航空器外形前後壓力差形成的阻力叫形狀阻力(或稱壓差阻力)。人在逆風中行走,會感到阻力的作用,這就是㇐種形狀阻力。流線形的設計會使航空器外形變得平順,其目的就是為了減少形狀阻力。
  • 干擾阻力:空氣流經航空器鄰近的兩部件時,此兩部件對氣流的影響相互干擾而產生的阻力叫干擾阻力。這種阻力容易產生在機身和機翼、機身和尾翼、機翼和發動機短艙、機翼和外掛載之間。

誘導阻力

  • 航空器於飛行中,機翼上表面與下表面的氣流壓力不同,在機翼前緣會造成㇐股自下而上、由內而外翻轉的渦流,這道渦流造成相對氣流的方向被往下拉,由機翼所產生的升力方向被往後傾,產生出向後的阻力,這種因產生升力而誘導出來的阻力稱為誘導阻力(或稱感應阻力),是航空器為產生升力而須付出的「代價」。航空器在失速前,當其攻角及升力增加時,其誘導阻力也隨之增加;當失速時,升力和誘導阻力都突然下降。

重力 (Weight)

重力是航空器本身之質量所受的地心引力。過重的重力對飛行有負面影響,故航空器機身的設計㇐般都是儘量採用較輕的材料。

無人機學科 飛行原理

升力.阻力影響變因

升力和阻力是航空器在空氣中相對運動(相對氣流)所產生。㇐般來說,與航空器運動方向相反(或稱與氣流流向相反)的力叫阻力,與航空器運動方向垂直(或稱垂直於氣流流向)的力叫升力。影響升力和阻力的因素基本上有下列四項:

無人機學科 飛行原理

攻角

飛行速度

空氣密度

航空器本身的特點

攻角對升力和阻力的影響

攻角(Angle of Attack, AOA:機翼翼弦與相對氣流方向所夾的角度。

►臨界攻角:在飛行速度(空速)等其它條件相同的情況下,得到最大升力的攻角

臨界攻角

升力和阻力的影響

範圍內

攻角增大,升力增大

超過

攻角增大,升力減小,阻力增大

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圖片來源:民航局

飛行速度對升力與阻力的影響(成正比)

飛行速度

升力和阻力的影響

越大

升力、阻力越大

空氣密度對升力與阻力的影響(成正比)

空氣密度

升力和阻力的影響

密度大.空氣動力大

升力、阻力越大

航空器本身特點對升力與阻力之影響(成正比)

機翼面積

升力和阻力的影響

面積越大

升力、阻力越大

機翼形狀

升力和阻力的影響

相對厚度

正比關係

厚度位置

靠前 : 升力.阻力大

: 升力.阻力小

靠後 : 升力大,阻力小

平面形狀.橢圓形

誘導阻力最小

矩形,菱形

誘導阻力最大

翼面結冰改變機翼流線外形

升力減少.阻力增加

表面光滑度

表面光滑,摩擦阻力較小,反之則相對較大

襟翼位置

襟翼下放,可增加機翼升力與阻力、降低失速速度


無人飛機的飛行原理

無人飛機組成及功能

機翼(Wing

機翼是提供升力的主要部件,以維持無人飛機在空中穩定飛行和提供必要的操作功能。機翼上通常安裝有副翼Aileron)和襟翼(Flap),操縱副翼可控制飛機的滾轉(Roll)姿態,放下襟翼可增加升力的作用。

機身(Fuselage

機身㇐般為無人飛機的主體,主要功用是裝載燃油、酬載和各種設備。機身與機翼、尾翼等部件相連,某些無人飛機的發動機及起落架等部件則利用掛架與機身相連。機身對控制飛行姿態、保持飛行的穩定性及可控性也有㇐定貢獻。

尾翼(Empennage

尾翼是安裝在無人飛機尾部的㇐種裝置,可以增強飛行的穩定性。大多數尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼,也有少數採用V型尾翼。水平尾翼是無人飛機縱向平衡、穩定、操縱的翼面,翼面前半部通常是固定的水平安定面,翼面後半部則是可動的升降舵(Elevator)。垂直尾翼是無人飛機航向平衡、穩定和操縱的翼面,翼面前半部通常是固定的垂直安定面,翼面後半部則是可動的方向舵(Rudder)。尾翼可以用來控制無人飛機的俯仰(Pitch和偏航(Yaw),以改變無人飛機的飛行姿態。

起落裝置(Landing Gear

無人飛機的起落架用於起飛、降落、地面滑行或移動、停放時來支撐無人飛機;除了煞車系統、轉向系統等外,它大都由減震支柱和機輪等組成。

動力系統(Power System

動力系統是指主要用來產生拉力或推力使無人飛機前進的裝置。除了產生前進力外,動力系統還可為無人飛機上的用電設備提供電源。

其他加裝設備:

飛行控制系統(簡稱:飛控):內置控制器、陀螺儀、加速度計和氣壓計等傳感器配合GPS穩定無人機指定的位置及高度

導航系統:提供給飛行器位置、速度、姿態等參數狀態數據。

雲台相機:航拍相機主要透過雲台裝設於飛行器之上,作為航拍用途

無線通訊系統:決定飛行距離、圖傳輸質量以及傳輸延持時間。目前圖傳以 2.4GHz 頻段及 5.8GHz 的頻段為主流

安全設備:安全避障系統(超聲波/飛時測距/紅外線/視覺圖像複合型技術)。


飛行操作原理

X軸:縱軸(Longitudinal Axis)

利用副翼改變左右滾轉姿態。

Y軸:橫軸(Lateral Axis)

利用升降舵改變俯仰姿態。

Z軸:垂直軸(VERTICAL AXIS)

利用方向舵改變偏航姿態。

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圖片來源:民航局


無人飛機三特性

平衡性

是指作用於無人飛機的各外力之和為零,各外力重心所構成的各力矩之和也為零。無人飛機處於平衡狀態時,其速度的大小和方向都保持不變。


穩定性

指遙控無人機在飛行中,當受到微小擾動(如陣風、發動機工作不均衡、舵面的偶爾偏航等)而偏離原來的平衡狀態時,在擾動消失後,不經操作人操縱,自動恢復原來平衡狀態的特性。

操縱性

遙控無人機的操縱性,是指遙控無人機在操作人操縱控制面改變其飛行狀態的俯仰、方向和橫向之特性,操縱動作簡單、省力,飛機反應越快,其操縱性越好,反之則否。


無人飛機的飛行控制

四大基本動作

平直飛行、轉彎、爬升下降

飛行控制

飛機相對於「飛機中心」

升降舵控制往上

向上俯仰

升降舵控制往下

向下俯仰

副翼控制右上左下

右滾

副翼控制右下左上

左滾

方向舵控制往右

右偏航

方向舵控制往左

左偏航



無人直昇機的飛行原理

無人直昇機,其主旋翼(Main rotor)在旋轉時能夠產生向上的升力,其原理類似於無人飛機的機翼產生升力的原理或螺旋槳產生推力的原理。

起飛

當主旋翼的旋轉面(因旋轉所產生的平面)保持在水平位置時,此時所產生的力是垂直向上的,可稱之為升力亦可稱之為向上的推力。遙控無人直昇機利用這個原理起飛離地,以及爬升(Climb)或懸停(Hovering)。如果升力與推力大於重力與阻力,直昇機垂直向上。

產生扭力

根據牛頓第三運動定律,作用力等於反作用力。當發動機讓主旋翼以逆時針方向旋轉時,遙控無人直昇機本身將以順時針方向旋轉,這個力稱為扭力(Torque)。主旋翼的槳葉片的俯仰角愈大,升力就愈大,同時扭力也愈大

抵銷扭力

為了抵銷扭力,在設計上使用尾旋翼(Tail rotor)在機尾產生㇐個向右的力,稱為尾旋翼推力



前進

利用尾旋翼推力向右的力量抵消遙控無人直昇機本身順時針方向旋轉所產生為扭力,使遙控無人直昇機達到前進的效果

無人機學科 飛行原理

圖片來源:民航局



無人直昇機的飛行控制

四大基本動作

平直飛行、轉彎、爬升下降

飛行控制種類

操作注意事項

垂直起飛到懸停

垂直飛離地面約2~3,並保持「高度不變」和「航向不變」。

懸停

保持「高度不變」和「航向不變」

懸停轉彎

在懸停高度執行無人直昇機機鼻向左轉或向右轉,應保持不變的高度、轉彎率和轉速。

向前懸停飛行

移動無人直昇機到另㇐特定位置,可由靜止狀態的懸停開始執行。

側向懸停飛行

移動無人直昇機到另㇐特定位置,但當時狀況不可能執行向前飛行時,就要使用側向懸停飛行。

向後懸停飛行」

移動無人直昇機到另㇐特定位置,但當時狀況不可能執行向前或側向懸停飛行時,就要使用向後懸停飛行。

從懸停到正常起飛

無人直昇機有順序的轉換到向前飛行,執行時應安全且迅速的增加高度。

從地面到正常起飛

使用最小的所需動力,將無人直昇機從地面上的位置,移動到有效轉換升力及正常爬升

平直飛行

保持無人直昇機「高度不變」和「航向不變」的飛行

傾斜轉彎

將無人直昇機保持在向左或向右的傾斜狀態,保持飛行高度不變,但航向改變之飛行。

偏航

利用尾旋翼推力改變無人直昇機航向的操縱。



無人多旋翼機飛行原理

無人多旋翼機是㇐種經由多個定距槳(螺旋槳)的正反旋轉與轉速控制,提供升力與姿態調整。

無人多旋翼機與無人直昇機類似,當旋翼旋轉產生升力時,空氣對於旋翼也會形成反方向的作用力,驅使無人直昇機反向旋轉,因此無人多旋翼機為了要克服反作用力的問題,設計出旋翼不同方向旋轉,抵消反作用力,使總力矩為零。

無人多旋翼機優勢(相較於無人直升機)

  • 垂直穩定升降及偏航 
  • 垂直起降能力
  • 定點懸停能力
  • 飛行操作較簡單
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無人多旋翼機飛行控制


無人多旋翼機飛行操作原理、平衡性、穩定性、操縱性等概念及四大基本動作與無人飛機或無人直昇機相當,但無人多旋翼機在構造上具有先天不穩定性,通常需仰賴飛行控制系統電腦的運算才能保持姿態及航向的穩定。操作人操作無人多旋翼機時,力道應當柔和㇐些,直到習慣遙控無人機與控制器相互間的連結程度。

垂直升降

同時間增加或減少四個旋翼的轉速以增加或減少升力,實現垂直的升降姿態。


滾轉

改變左、右兩對旋翼的轉速與升力,因左、右的升力不平衡,實現滾轉姿態。


俯仰前進

改變前、後兩對旋翼的轉速,因前、後的升力不平衡實現俯仰姿態進而產生前進及後退的效果。

偏航

同時間減少或增加斜對角兩對旋翼轉速與升力,因扭力不平衡產生反作用力,實現偏航姿態。



載重與平衡

遙控無人機載重平衡因素

遙控無人機的重量和重心位置是影響飛行性能及飛航安全重要的因素之㇐。飛行前,操作人應確認遙控無人機的重量、重心和其酬載是否在合理範圍。同時,操作人須考慮到緊急狀況下,遙控無人機過重或重心偏移時所可能造成嚴重的後果。然當處於高海拔、高溫以及高濕度的情況下,操作人在飛行前亦應詳細考量可能降低飛行時超越障礙能力的載重因素。

重心

遙控無人機重力的著力點稱為「重心」(Center of Gravity, C.G.)。重心與穩定性有很大的關聯。當重心位置超出允許範圍時,可能導致遙控無人機無法穩定起飛、落地甚至失速。

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圖片來源:民航局

負載係數

定義:升力與重力之比值,基於離心力與重力之結果。

作用:表達無人機產生姿態動作的大小。



為什麼無人機轉彎時 : 速度越快,轉彎率越低

★為了要抵銷轉彎時所增加的離心力★

同的速度下,飛機的轉彎率也會隨之不同,為了要抵銷所增加的離心力以保持負載係數不變,因此轉彎時速度越快,轉彎率越低。從右圖可以觀察到,當飛機傾斜角(Bank Angle, 亦稱為坡度)達到45度或50度時,負載係數會急劇增加。因此為維持高度下,機翼必須產生足以與負載係數相等之升力,亦即需增加攻角以補償升力之不足。

無人機學科 飛行原理

重心移動重量變化的影響

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重心移動

重心前移

重心後移

示意圖

無人飛機

1.機頭沉重,起飛仰轉困難。

2.受到配平以及總阻力的增加的影響失速速度增加

3.增大誘導阻力,使油耗增加,航程距離降低

4.低速的時候,為了穩定飛機較強的俯仰姿態,配平可能不足,導致提高了不穩定進場的風險。

1.由於機頭較輕,可能會使得起飛時提前仰轉。

2.爬升時若操作不慎,可能會因仰角過大,而造成失速,甚至造成機尾擦地。

3.配平及總阻力減小,也進而減少飛行所需要的推力及耗油,增加了遙控無人機的續航能力,失速速度減小。

4.若進入到螺旋失速時,會較難改正。

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圖片來源:民航局

無人直昇機

重心太靠前會抑制向後飛行及懸停低速的性能

重心太靠後會影響以高速向前飛行之性能及穩定

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圖片來源:民航局

多旋翼無人機

操控困難

操控困難

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重量變化

重量增加

無人飛機

1.較高的起飛與落地速度。

2.較長的起飛與落地滑行距離。

3.降低爬升率和角度

4.降低飛航最高高度

5.縮短作業範圍。

6.降低巡航速度

7.降低操作性能

8.較高的失速速度

無人直昇機

1.降低爬升率和角度

2.降低飛航最高高度

3.縮短作業範圍

4.降低巡航速度

5.降低操作性能

6.較高的失速速度

多旋翼無人機

1.降低爬升率和角度

2.降低飛航最高高度

3.縮短作業範圍

4.降低巡航速度

5.降低操作性能

6.較高的失速速度


總結

本單元內容皆參考自《民航局遙控無人機學科測驗規範 》所做的系統性整理,希望對有考照需求的朋友們有更進一步的幫助,詳細內容請大家熟讀《民航局遙控無人機學科測驗規範 》



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Last Updated on 2021-06-29 by James Huang

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關於作者James

James是一名勞力上班族,由於對無人機非常熱愛,在休假之餘努力自我培養無人機相關能力,創辦DronesBoy無人機男孩網站幫助初入無人機領域的新手們,在短時間內獲取成為無人機飛手應具備的知識能力。一心只想專注於價值的付出,希望透過網站實踐自我理念並傳遞正向價值觀,人生很短,抓緊每一刻,認真得做自己想做的事。

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