任務二了解無人機飛行性能與航空氣象

任務目標知識目標：1.理解無人機的飛行性能相關知識；2.掌握無人機的主要性能指標，如最大飛行速度、最大航程、續(xù)航時間等；3.熟悉無人機在飛行過程中受到的各種氣象因素影響。技能目標：1.能夠根據(jù)給定的氣象條件，評估無人機的飛行性能與安全性；2.學會查閱并解讀航空氣象報告，了解飛行區(qū)域的天氣狀況；3.掌握無人機在不利氣象條件下的飛行應對策略。

素質目標：1.培養(yǎng)學生的安全意識，強化飛行中遵循氣象規(guī)定和飛行規(guī)則的重要性；2.提升學生的分析能力和判斷能力，能夠在復雜的氣象條件下做出合理的飛行決策；3.引導學生關注無人機技術和航空氣象的最新動態(tài)，形成持續(xù)學習的習慣。

任務描述想象一下，你身穿一身黑色的風衣，頭戴偵探帽，手持一份神秘的地圖，踏入了這個充滿未知與奇幻的世界。不過，你可不是一位普通的偵探，而是一位無人機“氣象偵探”！你的任務是深入探索不同航空氣象條件下的無人機飛行性能數(shù)據(jù)，就像追蹤無人機的“足跡”，一步步解開氣象對飛行影響的“密碼”。在這片廣闊的天空中，無人機探險隊正躍躍欲試，準備挑戰(zhàn)各種極端天氣。而作為氣象偵探的你，則是他們最可靠的“后盾”。你需要收集各種氣象數(shù)據(jù)，分析它們對無人機飛行性能的影響，然后為探險隊提供準確的氣象情報，確保他們能夠安全地完成任務。

在這個奇幻之旅中，你將與各種奇妙的氣象現(xiàn)象不期而遇。有時，你會遭遇狂風暴雨，看著無人機在風雨中搖搖欲墜，你會緊張地捏緊手中的數(shù)據(jù)分析儀；有時，你會遇見陽光明媚的好天氣，無人機會在這片碧空如洗的天幕下自由翱翔，你的心情也會隨之變得輕松愉悅。當然，作為一名合格的氣象偵探，你不僅要收集數(shù)據(jù)，還要學會分析它們背后的故事。你需要研究不同氣象條件下的無人機飛行性能數(shù)據(jù)，找出它們之間的規(guī)律，預測未來的天氣變化，為探險隊提供準確的氣象預報。在這個過程中，你將不斷提升自己的偵探技能，成為一名真正的無人機“氣象偵探”。你的每一次發(fā)現(xiàn)，都將為無人機探險隊帶來寶貴的幫助，讓他們能夠在各種極端天氣中安全飛行，完成各種驚險刺激的任務。任務要求1.收集并整理不同航空氣象條件下的無人機飛行性能數(shù)據(jù)。2.分析數(shù)據(jù)，了解不同氣象因素對無人機飛行性能的影響。3.撰寫一份詳細的氣象情報報告，為無人機飛行提供建議。4.培養(yǎng)團隊合作精神，與同伴分享你的發(fā)現(xiàn)和學習成果。現(xiàn)在就開始你的奇幻之旅吧！拿起你的數(shù)據(jù)分析儀，踏上這趟充滿未知與奇幻的旅程，成為一名無人機“氣象偵探”，為無人機探險隊提供寶貴的氣象情報！

知識鏈接無人機的飛行性能直接決定了其任務執(zhí)行能力和作戰(zhàn)效能，因此，對于無人機飛行性能的研究和探討具有重要意義。在此，我們將從無人機的飛行速度、飛行高度、穩(wěn)定性、操控性、續(xù)航能力、抗風能力等方面，對無人機的飛行性能進行深度解析。一、無人機的飛行性能1.無人機的飛行速度無人機的最大飛行速度是指其在無風或微風條件下能夠達到的最大速度。這一指標反映了無人機的機動性和響應能力。速度越快，無人機在完成任務時的效率就越高。然而，在追求最大飛行速度的同時，也需要確保無人機的穩(wěn)定性和安全性，越快的速度意味著越難以駕馭。飛行速度由無人機設計時決定。根據(jù)無人機用途進行設定，例如，在多旋翼這一類型的機種中，速度最快的應當是穿越機，穿越機本身的定位就是競速，穿越機的最高時速可達到120~230km/h。2017年由無人機競速聯(lián)賽（DRL）工程團隊打造的DRLRacerX是目前世界上最快的穿越機，其時速可達289km/h，創(chuàng)造了四旋翼無人機速度最快的吉尼斯世界紀錄，而最快飛行記錄一直在被刷新，2023年一位穿越機愛好者組裝的競速無人機時速達397km/h，如圖3-2-1所示。固定翼無人機的飛行速度通常更快。例如，由諾斯洛普·格魯門所生產(chǎn)制造的無人飛機RQ-4A全球鷹無人機，如圖3-2-2所示，最大飛行速度為740km/h，巡航速度為635km/h。一些民用無人機為了追求飛行的安全和穩(wěn)定性，通常設定限制飛行速度，例如大疆的Mavic3Pro航拍版（見圖3-2-3）最快飛行速度為67km/h，即18.61m/s。而同一機型的Mavic3多光譜版，根據(jù)用途的不同，設定的最快速度也各不相同：15m/s（普通擋），前飛：21m/s，側飛：20m/s，后飛：19m/s（運動擋）。無人機的最大飛行高度是指在標準大氣條件下能夠達到的最大高度。高度的增加可以擴大無人機的視野和探測范圍，使其能夠獲取更廣闊的信息。然而，高度的增加也可能帶來定位精度、操控半徑和抗風能力等方面的挑戰(zhàn)。同時，最重要的是空域限制問題。無人機本身的飛行高度會受到多種因素的影響，以任務需求為例，無人機在進行不同任務時，需要的飛行高度也不同。比如，進行精細的農作物生長監(jiān)測時，需要較低的飛行高度以獲取高分辨率的圖像；而進行大范圍的地質勘查時，可能需要較高的飛行高度以覆蓋更廣泛的區(qū)域。大氣條件也會影響飛行高度，如云層高度、大氣透明度和光照強度等，這些都會影響無人機的飛行高度。在多云或霧天條件下，飛行高度可能需要降低，以避免云層或霧層對無人機搭載設備的干擾。無人機及其搭載的設備的技術性能也會限制其飛行2.飛行高度高度。例如，電池容量、推進系統(tǒng)的效率、相機的光譜和空間分辨率等因素都需要考慮在內。此外，飛行高度的變化還會導致不同角度的太陽輻射和地面反射的變化，進一步影響數(shù)據(jù)質量。飛行高度也受飛行環(huán)境影響，氣壓、溫度、濕度等環(huán)境因素也會對無人機的飛行高度產(chǎn)生影響。而最重要的一個因素：法規(guī)限制。各國和地區(qū)對無人機的飛行高度都有明確的法規(guī)限制，這些限制通?；诎踩紤]，如避免與民用或商用航班的潛在沖突。根據(jù)我國的《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》，在“7公斤以下、高度120米以下、500米范圍內可視飛行”等標準下的無人機駕駛員無須拿證。這意味著，在一般情況下，民用無人機的最高飛行高度被限制在120m以下。圖3-2-4所示為航拍版無人機120m高度提示界面。然而，軍用無人機和某些特殊設計的無人機能夠飛得更高。例如，軍用無人機可以飛到8000m以上，甚至更高。此外，根據(jù)任務的不同，無人機還可以被分類為超低空無人機、低空無人機、中空無人機、高空無人機和超高空無人機。無人機飛行高度也受到國家法規(guī)和飛行限制的影響，超過一定高度可能需要備案或獲得特殊許可。因此，在實際操作中，需要遵守相關規(guī)定和限制。無人機的最大飛行高度因其類型和用途而異。一般來說，民用無人機的飛行高度通常在500m以下。以大疆航拍無人機為例，當飛行高度大于120m時將出現(xiàn)高度提示，最大飛行高度限制在500m內。而大疆行業(yè)版的Mavic3飛行高度限制開放到6000m。3.穩(wěn)定性無人機的穩(wěn)定性是無人機性能的重要方面，主要涉及無人機在飛行中的穩(wěn)定性控制。無人機的穩(wěn)定性受到多種因素的影響，包括飛行環(huán)境和飛行技巧、陀螺作用原理、飛控系統(tǒng)PID控制原理以及動力系統(tǒng)等。飛行環(huán)境，如風速、風向、溫度等，以及飛行技巧，如起飛、降落、懸停等，都會對無人機的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在復雜或惡劣的飛行環(huán)境下，操控者需要掌握一定的飛行技巧，以確保無人機的穩(wěn)定。陀螺作用原理也對無人機的穩(wěn)定性起到關鍵作用。在機身進行翻滾、俯仰、偏航等動作時，由于旋轉的陀螺特性，會對機身產(chǎn)生對稱的作用力，達到抵消機身相應慣性作用的效果，從而保持穩(wěn)定。飛控系統(tǒng)是無人機的大腦，負責處理各種傳感器數(shù)據(jù)，并控制無人機的飛行姿態(tài)和運動。一個優(yōu)秀的飛控系統(tǒng)應該能夠快速、準確地響應各種飛行指令，并在遇到干擾時及時調整，保持無人機的穩(wěn)定。而飛控的PID控制算法是飛行控制的核心。PID控制原理是指利用無人機上的傳感器將偏差與目標相比較并產(chǎn)生一個控制信號的反饋過程來達到控制無人機的狀態(tài)，飛控的好壞差異通常由PID控制算法來體現(xiàn)。飛控通常分為開源飛控和商業(yè)飛控。開源飛控即開放原理圖和開放源代碼的飛行控制系統(tǒng)，此類飛控最大的特點就是價格低廉，且自由開放，開源飛控提供了完整的代碼，用戶可以根據(jù)自身需求對源代碼進行修改和定制，可開發(fā)程度高。開源飛控的缺點有三個方面：一是功能不全，開源飛控的功能可能因特殊場景而不全面，需要用戶自己編程實現(xiàn)其所需的特殊功能。二是可靠性差，開源飛控對硬件設備的兼容性不夠穩(wěn)定，可能出現(xiàn)兼容問題或技術問題，需要用戶自己解決。三是技術門檻高，開源飛控需要用戶自己搭建和調試，需要較高的技術門檻和較長的學習時間。最常見的飛控為PIX開源飛控，如圖3-2-5所示。商業(yè)飛控是由專業(yè)廠家生產(chǎn)，并具有穩(wěn)定的性能和完善的功能。其優(yōu)點為：高性能，商業(yè)飛控的性能比開源飛控更穩(wěn)定且更能滿足對無人機飛行的高性能要求；多功能，商業(yè)飛控具備多種功能，比如定位、遙控、飛行控制、姿態(tài)穩(wěn)定等都更為完善。無人機的動力系統(tǒng)，包括電池、電機和螺旋槳等對飛行穩(wěn)定性也有很大的影響。電池的穩(wěn)定供電、電機的平穩(wěn)運轉以及螺旋槳的平衡轉動都對無人機的穩(wěn)定性有直接關聯(lián)。使用放電倍率高、放電穩(wěn)定的電池，以及動平衡好的電機與螺旋槳，將很大程度改善飛行穩(wěn)定性。缺點為價錢昂貴、不開源、可行性差。商業(yè)飛控的價格較高，往往需要付出高昂的成本，而且商業(yè)飛控芯片、模塊等不易更新，需要額外的成本。并且因為不開源的因素，商業(yè)飛控的高集成度和封閉性使得其可定制性差，不易滿足特定飛行場景下的需求。典型代表為大疆A3飛控，如圖3-2-6所示。無人機的操控性是指無人機在飛行過程中，通過遙控器或自主控制系統(tǒng)對其進行操作的靈活性和準確性。這主要包括無人機的起飛、懸停、轉向、升降、前進、后退、側飛等基本動作的響應和執(zhí)行能力。無人機機體的設計是影響操控性的核心要素。機體的穩(wěn)定性、螺旋槳的布局和尺寸、以及整體的重量分配，都直接決定了無人機在空中的行為表現(xiàn)。一個設計精良的無人機能夠提供更好的操控響應和穩(wěn)定性。在多旋翼無人機中，不同軸距的操控性擁有不同的操控響應，軸距較長時，飛行較為穩(wěn)定，操控響應較慢。反之軸距較短時，飛行較為波動，操控響應較快。4.操控性在固定翼中，不同的舵面大小有著不同的操控性，當舵面大小固定時，越快的飛行速度也有著越大的舵面操控響應。而不同的展弦比，也有著不同的操控性。展弦比是指翼展長度與平均氣動弦長的比值。無人機在設計時需要根據(jù)任務需求選擇展弦比，展弦比示意圖如圖3-2-7所示。大展弦比表明機翼比較長且窄，小展弦比則表明機翼比較短且寬。展弦比越大的固定翼通常飛行速度低，穩(wěn)定性好，展弦比越小的固定翼飛行速度快，穩(wěn)定性低，操控響應也相對較快。無人機的智能化程度，也決定著無人機的操控性。如通過自主導航、障礙物識別、自動避障等技術，使無人機能夠更自主地完成飛行任務。更優(yōu)質的無人機導航飛控系統(tǒng)能提供更便捷的操控。例如，通過地面設定飛行航點，讓無人機進行自主任務航線飛行，如圖3-2-8所示。在完成航線規(guī)劃后，還可以直觀地進行3D航線查看，如圖3-2-9所示。無人機的傳感器和電池狀態(tài)也是影響操控性的重要因素。傳感器能夠感知周圍環(huán)境并提供給無人機控制系統(tǒng)，幫助無人機進行導航和避障。而電池的狀態(tài)則直接關系到無人機的飛行時間和續(xù)航能力。一個健康的電池可以提供更長的飛行時間，而傳感器的工作狀態(tài)則決定了無人機能否準確地感知周圍環(huán)境，從而進行精確操控。無人機傳感器在飛行中扮演著至關重要的角色。這些傳感器通常包括陀螺儀、加速度計、GPS和視覺傳感器等，它們能夠精準地感知無人機周圍的環(huán)境、氣流、地形以及障礙物等信息，在飛行前要進行檢查，若有異常時需要進行傳感器校準。當無人機需要進行定位、導航、懸?；虮苷蠒r，這些傳感器會提供必要的數(shù)據(jù)支持。如果傳感器出現(xiàn)故障或偏差，無人機的操控性將受到嚴重影響，可能會出現(xiàn)飛行不穩(wěn)定、導航偏離或避障失效等問題，甚至可能導致無人機失控。為了確保無人機傳感器的準確性和可靠性，需要定期進行校準和維護。此外，在飛行前，還應該對傳感器進行全面檢查，確保其能夠正常工作并適應當前的飛行環(huán)境。例如，在高溫、高濕或沙塵暴等惡劣環(huán)境下，傳感器的性能和精度可能會受到影響，因此需要采取相應的措施來保護傳感器并提高其適應性。圖3-2-10所示為大疆Mavic3前視覺傳感器，圖3-2-11所示為大疆Mavic3前視覺傳感器校準界面。

無人機電池的性能、電量和電壓穩(wěn)定性直接決定了無人機的飛行時間和飛行表現(xiàn)。如果電池放電倍率不足或性能下降，無人機的飛行性能將受到影響。因為在無人機中，所有的操作都是依靠穩(wěn)定的電力供應，尤其是在多旋翼無人機中，每一個操作都意味著有不同的電機轉速調整，這將會出現(xiàn)較大的電流改變，若是電池無法穩(wěn)定供電，可能會出現(xiàn)飛行不穩(wěn)定、飛行距離縮短或飛行時間縮短等問題。更為嚴重的是，如果電池出現(xiàn)故障或短路等問題，可能會引發(fā)火災或爆炸等危險情況，對人員和設備造成重大損失。綜上所述，無人機的操控性受到無人機機體的設計、無人機的智能化程度、無人機的傳感器和電池狀態(tài)等多個因素的影響。為了確保無人機的安全飛行和穩(wěn)定操控，飛行需要充分了解這些參數(shù)，綜合考慮所有飛行因素，并根據(jù)實際情況做出相應的調整和優(yōu)化。無人機的續(xù)航能力主要取決于其電池類型和容量、電機效率、重量優(yōu)化以及飛行環(huán)境等因素。一般來說，大多數(shù)消費級無人機采用鋰聚合物電池，其續(xù)航能力通常在20~30min。這是因為無人機需要盡可能減輕起飛重量，所以無法攜帶較重的大容量電池。當無人機電池電量耗盡后，需要更換電池或進行充電。續(xù)航、載重一直是伴隨電動無人機的一個先天短板，也是制約它發(fā)展的一個方面，由于續(xù)航和載重的發(fā)展，其應用場景變少、應用成本增大、效率降低。常見的各類鋰聚合物電池如圖3-2-12所示。5.續(xù)航能力無人機的續(xù)航也會受到環(huán)境、風力大小、爬升速度、飛行速度等因素的影響。例如，在海邊或風力較大的環(huán)境下，飛行時長可能會遠低于標稱續(xù)航。輕量化、模塊化和高效化成為提升續(xù)航能力的關鍵。設計師們通過采用先進的材料和結構，實現(xiàn)了無人機的輕量化、模塊化和高效化。這些設計上的優(yōu)化不僅降低了無人機的起飛重量，還提高了其能源利用效率，從而延長了無人機的續(xù)航時間。飛行控制算法的優(yōu)化同樣為無人機的續(xù)航能力帶來了顯著的提升。通過智能化、自適應的飛行控制算法，無人機能夠自動調整飛行模式和參數(shù)，以最優(yōu)的方式利用能源，從而實現(xiàn)更長的續(xù)航時間。這種智能化的飛行控制策略，不僅提高了無人機的續(xù)航能力，還增強了其在復雜環(huán)境中的適應性和穩(wěn)定性。不過，也有一些行業(yè)級中型或大型無人機，采用油電混動等動力系統(tǒng)，其續(xù)航時間可以達到6小時甚至更長。2018年1月19日，天津中航通攜行業(yè)級無人機油電混合無人機歐靈（owling），在天津大學八里臺工業(yè)園進行了7小時續(xù)航挑戰(zhàn)，創(chuàng)下電動多旋翼無人機續(xù)航最長時間的世界紀錄，遠遠大于上月媒體報道的西班牙無人機4小時的最長續(xù)航時間。歐靈攜帶10.5L油，飛行437分鐘，在7小時飛行中歐靈無人機姿態(tài)平穩(wěn)，電壓穩(wěn)定。深圳智航通過不斷研究和開發(fā)，以輕量化（復合結構）、標準化設計使無人機系統(tǒng)布局變得更為合理，不斷提升無人機續(xù)航能力，其推出的V500H混合動力無人機，配合流線型大展弦比機翼及翼身融合布局，可達超過10h續(xù)航能力，飛行姿態(tài)平穩(wěn)，電壓穩(wěn)定。為提高技術壁壘差異化競爭，克服續(xù)航和載重短板，在過去的幾年里，一些無人機企業(yè)發(fā)布過其他幾種解決方案，但都不盡如人意，由于技術的局限性不能滿足市場需求。

（1）氫燃料電池方案氫燃料電池主要是解決無人機續(xù)航時間短的問題，它雖然能將無人機的續(xù)航時間提高，但本身仍然處于早期階段，在一些汽車廠商中也研發(fā)出了氫燃料電池汽車，但仍然是實驗室的產(chǎn)品，受限于綜合成本高，以及氫氣的安全問題，離批量商業(yè)化還有相當距離。圖3-2-13所示為一款氫燃料電池無人機。

（2）多軸油動直驅變距方案多軸油動直驅變距方案中（見圖3-2-14），直接將電機替代為航模發(fā)動機，以此來解決續(xù)航跟載重小的問題，并通過變距的方式解決油動發(fā)動機響應速度慢的問題。但此方案由于發(fā)動機個數(shù)眾多、震動大，對機體強度有較高要求，導致的結果是尺寸大，運輸不方便。其次，由于其發(fā)動機個數(shù)有4個或6個，維修保養(yǎng)麻煩、成本昂貴、出現(xiàn)故障的概率高。再加上每一個動力軸都有變距結構，大大增加了多軸無人機動力系統(tǒng)的復雜性，使得維護難度大大增加。

（3）垂直起降固定翼方案垂直起降固定翼方案主要解決的是起飛降落受跑道限制的問題，但其在解決更長續(xù)航及載重問題上仍不算是長足的進步。垂直起降固定翼無人機（見圖3-2-15）在執(zhí)行飛行任務時，可以切換至固定翼姿態(tài)，這種姿態(tài)使得無人機能夠擁有更長的續(xù)航時間。因此，垂直起降固定翼無人機可以進行大范圍的航測作業(yè)，這在很大程度上提高了無人機的續(xù)航能力。在此方案中，優(yōu)化方式是將多旋翼轉化為固定翼，但其起降階段仍采用多旋翼形式，受限于多旋翼載荷能力，對任務載重提升不大。眾多方案中，油電混動優(yōu)勢凸顯，圖3-2-16所示為一款油電混動發(fā)動機。在對無人機載重小、續(xù)航時間短方面，油電混動解決方案優(yōu)勢凸顯，其既保留了穩(wěn)定可靠的動力電機來提升整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，也同時保障了電池電能的持續(xù)供應。相比于氫燃料電池，油電混動能量密度以及技術成熟度遠高于氫燃料電池，其應用更加廣泛。相比于多軸油動直驅/變距方案，油電混動既保留了電動無人機的安全、可靠、易維護性，又通過燃油發(fā)電的方式源源不斷地為動力電機供電，很完美地解決了電動無人機載重小和續(xù)航時間短的短板，讓電動無人機有了無限可能。油電混動方案與垂直起降方案更多的是結合，其結合后更能將固定翼的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。隨著無人機續(xù)航能力的不斷提升，我們可以預見，其在各個領域的應用將更加廣泛和深入。在環(huán)保監(jiān)測領域，無人機可以持續(xù)飛行更長時間，對污染源進行持續(xù)監(jiān)測和追蹤；在農業(yè)領域，無人機可以長時間執(zhí)行農作物巡查和精準施肥等任務；在災害救援領域，無人機可以持續(xù)飛行更長時間，為災區(qū)提供及時的空中支援和信息傳遞。6.抗風能力無人機的抗風能力是指無人機在特定風速下仍能保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，而不受到風力的過大影響。無人機的抗風能力通常被分為不同的等級，從等級0到等級5，每個等級對應著不同的風速范圍。等級0的無人機沒有抗風能力，只能在無風或微風環(huán)境下飛行。等級1的無人機可以抵抗5級以下風速，以此類推，等級5的無人機可以抵抗25級以上風速。不同的無人機在設計之初就進行了抗風能力測試，例如大疆Mavic3，其參數(shù)見表3-2-1。無人機的抗風能力與多個因素有關，包括無人機的重量和體積、電機輸出馬力、軟件系統(tǒng)的定位精準度和飛控算法的精確度等。一般來說，體積越大、重量越大的無人機越能抵抗風力，因為它們的慣性更大，風力對它們的影響更小。同時，電機輸出馬力越足，無人機的抗風能力也越好。此外，軟件系統(tǒng)的定位精準度和飛控算法的精確度也能直接影響無人機的穩(wěn)定程度，從而影響其抗風能力。不同類型的無人機抗風能力也不相同。相較而言，固定翼無人機的抗風能力優(yōu)于多旋翼，大重量無人機抗風能力優(yōu)于輕重量無人機。然而，需要注意的是，無人機的抗風等級并非越高越好。高抗風等級的無人機通常會更加笨重，這可能會影響其操作性和便攜性。因此，在選擇無人機時，需要根據(jù)實際需求和使用環(huán)境來選擇合適的抗風等級，以保證無人機的性能和安全。航空氣象是涉及航空和氣象學的交叉學科，是專門為航空服務的應用氣象學科，主要研究氣象要素和天氣現(xiàn)象對航空技術裝備和飛行活動的影響。它致力于提供有效的氣象保障，以確保飛行安全并順利完成飛行任務。航空氣象勤務則是將航空氣象學的研究成果應用于航空氣象保障中，包括組織以預報為主的有效的氣象保障，以及航空氣候統(tǒng)計和區(qū)劃、航空氣象資料的整理編制、存貯和檢索等內容。氣象與航空的關系密切，因為氣象直接影響飛行。二、航空氣象

例如，高速飛機的出現(xiàn)和遠程乃至全球飛行的成功，對航空天氣預報的時效要求更高，需要獲取全球范圍的氣象情報。為了滿足這些需求，航空氣象開始采用先進技術，如建立地面氣象雷達站，并通過氣象衛(wèi)星開展全球數(shù)字天氣預報業(yè)務，圖3-2-17所示為典型的太陽能自動氣象站。影響航空氣象的因素大致分為五個方面，分別是大氣成分與結構、氣象要素、氣象資料及其來源與服務設施、飛行氣象保障等。大氣是由多種氣體混合組成的氣體，還包括浮懸其中的液態(tài)和固態(tài)雜質。這些成分和結構共同決定了大氣的物理和化學性質，以及其對地球環(huán)境和生物的影響，而飛行器需要在大氣層中飛行，這意味著大氣對航空也有最直接的影響。大氣的主要成分包括氮氣、氧氣和氬氣，它們合占大氣總體積的99.96%，如圖3-2-18所示。其中，氮氣是大氣中最主要的成分，約占大氣總體積的78%。氧氣是地球生物呼吸和能量生成所必需的氣體，約占大氣總體積的21%。氬氣則是一種惰性氣體，對大氣化學性質的影響較小。大氣成分的作用也不盡相同，每種大氣成分都有其特定的作用。1.大氣成分與結構（1）大氣成分例如，氮氣是地球大氣中最主要的成分，對維持地球的生物圈穩(wěn)定具有重要作用；氧氣是生物呼吸和能量生成所必需的氣體；水蒸氣則影響氣候和天氣變化，形成云、雨、雪等天氣現(xiàn)象等。除了這些主要成分外，大氣中還含有一些微量氣體，如二氧化碳、甲烷、臭氧等。這些氣體雖然含量較低，但對大氣環(huán)境和地球氣候具有重要的影響。例如，二氧化碳是一種溫室氣體，能夠吸收和發(fā)射紅外能量，導致地球表面溫度升高；甲烷則是一種強烈的溫室氣體，其溫室效應比二氧化碳還要強。除了氣體成分外，大氣中還包含液態(tài)和固態(tài)雜質，如微生物、細菌、水滴、冰晶、塵埃、氣溶膠等。這些雜質對大氣的物理和化學性質具有重要的影響，能夠影響大氣的光學性質、云的形成和降水過程等。大氣成分并非一成不變，它們會受到自然和人為因素的影響而發(fā)生變化。例如，火山噴發(fā)、森林火災等自然事件會改變大氣成分；人類活動，如燃燒化石燃料、森林砍伐等也會導致大氣成分的變化。在大氣結構上，可以分為幾個不同的層次，如圖3-2-19所示。最底層是對流層，它是地球大氣層中最接近地面的一層，也是天氣現(xiàn)象的主要發(fā)生地。對流層之上的平流層，氣溫隨高度增加而增加，大氣穩(wěn)定，適合飛機飛行。再往上是中間層和外層，這些層次的大氣密度較低，對地球環(huán)境的影響較小。①對流層：位于大氣的最低層，從地球表面開始向高空伸展。平均厚度約為12km，其厚度在地球兩極上空為8km，在赤道上空為17km，是大氣中最稠密的一層，集中了約75%的大氣質量和90%以上的水汽質量，溫度隨高度的增加而降低。②平流層：距地表約10~50km處的大氣層，位于對流層之上，逸散層之下，是地球大氣層里上熱下冷的一層。③中間層：自平流層頂?shù)?5km之間的大氣層。該層溫度垂直遞減率很大，對流運動強盛，中間層頂附近的溫度約為190K。④熱層：也稱暖層，位于中間層之上及散逸層之下，其頂部離地面約800km。熱層的空氣受太陽短波輻射而處于高度電離的狀態(tài)，電離層便存在于本層之中，而極光也是在熱層頂部發(fā)生的。⑤散逸層：也稱外層，距離地表800km至3000km，是地球大氣的最外層，散逸層空氣極為稀薄，其密度幾乎與太空密度相同，溫度隨高度增加略有增加。組織無人駕駛航空器飛行活動的單位或者個人應當在擬飛行前1日12時前向空中交通管理機構提出飛行活動申請。空中交通管理機構應當在飛行前1日21時前作出批準或者不予批準的決定。按照國家空中交通管理領導機構的規(guī)定在固定空域內實施常態(tài)飛行活動的，可以提出長期飛行活動申請，經(jīng)批準后實施，并應當在擬飛行前1日12時前將飛行計劃報空中交通管理機構備案，飛行活動申請一覽表見表3-1-2。5.《條例》對于飛行活動的規(guī)范（1）飛行活動申請要求

（2）大氣對無人機飛行性能的影響無人機通常使用燃料燃燒或電動機來產(chǎn)生推力，而這些過程都會受到大氣成分的影響。例如，高海拔地區(qū)的大氣含氧量較低，可能會影響無人機的發(fā)動機性能，降低其推力輸出。無人機能夠飛行的原理便在于空氣流動產(chǎn)生的壓強差，不論是固定翼的機翼，還是螺旋槳的轉動，都是空氣壓強差產(chǎn)生的托舉力，升力產(chǎn)生的基本原理如圖3-2-20所示。

大氣中的顆粒物、氣溶膠和污染物等也會對無人機的性能產(chǎn)生影響。這些物質可能會附著在無人機的表面，影響其熱傳導和散熱性能，甚至可能導致無人機表面的腐蝕和磨損。此外，顆粒物和氣溶膠還可能影響無人機的傳感器和光學設備的性能，降低其精度和可靠性。大氣中的溫度和壓力等氣象條件也會對無人機的性能產(chǎn)生影響。例如，高溫和低壓環(huán)境可能會降低無人機的升力，增加其飛行難度和危險性。同時，風速、風向和氣流等氣象因素也會影響無人機的飛行軌跡和穩(wěn)定性。無人機主要使用于低空，在不同飛行層，有著不同的航空、航天器。不同的大氣層密度和成分會對無人機的升力和阻力產(chǎn)生直接影響。在高空，空氣稀薄，無人機產(chǎn)生的升力會減小，從而可能影響飛行高度和穩(wěn)定性。此外，大氣中的水分、灰塵和其他污染物也可能對無人機的傳感器和動力系統(tǒng)造成損害，進而影響飛行性能。隨著高度的增加，大氣溫度逐漸降低，可能導致無人機機體材料的收縮和變形，影響其結構穩(wěn)定性。

（3）結冰對無人機飛行性能的影響更高的飛行高度還意味著機翼結冰的風險（見圖3-2-21）。載人航空中，關于飛機結冰的研究可以追溯到上個世紀初期，在20世紀30年代，人們發(fā)明了最初的飛機除冰裝置。在1948年，Preston和Blackman完成了首次飛機結冰試驗，結果表明，結冰使飛行阻力增加了81%，飛行員感覺整個飛機都要失控了。隨著新的飛機設計需求以及新性能的要求，飛機結冰適航只會變得更加嚴格。飛機結冰會導致升力面的流線體外形變?yōu)榉橇骶€體外形，從而引發(fā)漩渦分離，如圖3-2-22所示。在機翼前緣的冰將顯著影響原本的氣動性能，造成升力的大幅降低、阻力的大幅增加以及力矩的非線性變化。結冰還特別影響飛機的失速特性，帶冰后飛機的失速攻角提前，最大升力系數(shù)也出現(xiàn)較大損失，這使得飛行的紅線被大大拉低了。大氣中的電磁干擾和雷電活動也可能對無人機的電子系統(tǒng)造成損害。強電磁干擾可能導致無人機的導航系統(tǒng)和傳感器失靈，而雷電活動則可能引發(fā)無人機機體的電磁感應和電流傳導，對其電子設備和結構造成損壞。（5）應對措施為了應對這些挑戰(zhàn)，無人機設計和制造過程中需要采取一系列措施。通過優(yōu)化無人機的天線設計和布局，提高通信信號的傳輸質量和穩(wěn)定性。其次，采用先進的導航技術，如衛(wèi)星導航、慣性導航等，以提高無人機的定位精度和抗干擾能力。此外，還可以通過加強無人機的防雷擊設計，降低雷電活動對無人機的影響。（4）電磁干擾與雷電對無人機飛行性能的影響2.氣象要素氣象要素作為大氣科學研究的核心內容，是我們理解天氣、氣候以及環(huán)境變化的關鍵，氣象要素的分類包括主要要素和次要要素。主要要素包括氣溫、氣壓、濕度、降水、風速和風向，次要要素則涵蓋云量、能見度、霜凍等。氣象要素的應用廣泛，不僅僅是航空領域，還涉及天氣預報、氣候預測、環(huán)境評估、資源利用等多個領域。通過對氣溫、濕度、風速等要素的分析，我們可以預測未來的天氣變化，進而對飛行做出合理的規(guī)劃。（1）主要氣象要素對無人機飛行性能的影響①氣溫與氣壓對無人機飛行性能的影響。氣溫和氣壓對飛行的影響是多方面的。首先，氣溫高低會影響甚至直接改變大氣壓強，若是固定翼滑跑起飛，將直接影響飛機滑跑距離。當氣溫升高時，空氣密度變小，這會導致飛機發(fā)動機的推力或螺旋槳拉力減小，飛機增速變慢。同時，飛機的升力也會減小，要求飛機的離地速度增大，飛機起飛的滑跑距離會變長。相反，當氣溫降低時，空氣密度增大，飛機增速變快，飛機升力增大，起飛的滑跑距離會相應縮短。飛機著陸時的滑跑距離也會受到類似的影響。無人機導航飛控系統(tǒng)的傳感器中包含氣壓傳感器，如圖3-2-23所示。利用大氣壓對飛機當前高度進行判定，而高度判定誤差較大時，將是飛行安全的重大隱患。氣溫的變化還將影響飛機的空速表和高度表的示值，從而對飛行安全產(chǎn)生影響。極端的氣溫條件，如過高或過低的溫度，可能會對飛機的結構和性能產(chǎn)生影響，從而影響飛行安全。②濕度與降水對無人機飛行性能的影響。圖3-2-24所示為一架在雨水中運行的無人機。濕度和降水對無人機飛行的影響不容忽視。首先，濕度過高可能導致無人機部件的腐蝕，特別是金屬部分。在潮濕環(huán)境中，金屬表面容易形成水膜，這會加速金屬的氧化和腐蝕過程。無人機的電機和螺絲等關鍵部件可能會因此受損，進而影響飛行的穩(wěn)定性和安全性。其次，降水對無人機的影響更加直接和顯著。雨水可能導致無人機的電子元件短路，損壞電路板和其他關鍵組件。此外，降水還可能影響無人機的傳感器和攝像頭，導致數(shù)據(jù)不準確或拍攝效果不佳。在極端情況下，強降雨甚至可能導致無人機失控或墜毀。除了對無人機硬件的影響外，濕度和降水還可能對無人機的飛行控制和導航系統(tǒng)造成干擾。在潮濕或降水條件下，無人機的信號傳輸可能受到干擾，導致控制信號不穩(wěn)定或丟失。這可能導致無人機失去控制，增加飛行風險。因此，飛行前需要密切關注天氣狀況，避免在濕度過高或降水較大的條件下進行飛行。③風速與風向對無人機飛行性能的影響。強風可能導致無人機失去穩(wěn)定性，使其難以保持穩(wěn)定飛行姿態(tài)。這可能會導致無人機在飛行中偏離預定路徑，增加碰撞風險。此外，風力還可能影響無人機上的載荷，如攝像頭或傳感器，導致圖像質量下降或功能異常。在強風下，無人機電池耗電也可能會加速，從而縮短無人機在空中的停留時間。起降場所的風速大小和風向也會影響無人機的起飛和降落。如果風速過大，無人機在起飛和降落時容易飛偏，特別是在峽谷和高原地區(qū)。此外，強風還可能影響無人機的定位精度，導致無人機在返航時定位不準。（2）次要氣象要素對無人機飛行性能的影響①云量對無人機飛行性能的影響。圖3-2-25所示為一架穿越云層的無人機。云層的厚度和高度會對無人機的視覺系統(tǒng)和導航設備產(chǎn)生干擾，從而影響無人機的飛行效果和安全性。在云量較大的情況下，無人機的攝像頭和傳感器可能無法準確捕捉到地面上的目標或障礙物，這增加了無人機在飛行中發(fā)生碰撞的風險。云量還會對無人機的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生干擾。無人機在飛行過程中，需要不斷將采集的數(shù)據(jù)傳輸回地面控制站。然而，云層中的水滴和冰晶會對無線電信號產(chǎn)生散射和吸收作用，導致信號衰減和失真。這可能會使無人機的數(shù)據(jù)傳輸質量下降，影響地面控制站對無人機的實時監(jiān)控和指揮。②能見度對無人機飛行性能的影響。能見度對無人機的影響主要體現(xiàn)在影響無人機的導航和觀察能力。當能見度過低時，無人機的攝像頭或傳感器可能無法準確捕捉和識別目標，從而影響其導航和飛行控制。此外，低能見度還可能導致無人機無法及時發(fā)現(xiàn)障礙物或地面情況，增加了飛行中的風險。③霜凍對無人機飛行性能的影響。霜凍的氣象條件下，無人機在飛行時，其表面可能會出現(xiàn)結霜現(xiàn)象。這種結霜是由水汽在低溫的機身表面凝華形成的，類似于地面結霜。一旦機身表面增溫后，這些霜即可消失。此外，在霜凍條件下，無人機的槳葉可能會結冰。結冰會破壞槳葉原有的氣動外形，降低旋翼的飛行效率，嚴重影響無人機的安全飛行，并可能產(chǎn)生安全隱患。當槳葉結冰時，可能會出現(xiàn)屏幕界面提示電機動力飽和或者觸發(fā)自動降落，嚴重時可能因為動力不足導致墜機事故。霜凍氣象下還可能使電池效能降低，冬季鋰電池的續(xù)航時間變短是不可避免的，因為溫度過低會使電池的效能和活性大幅度降低，從而影響無人機的正常工作。綜上所述，在無人機飛行過程中，特別是在復雜或低能見度的環(huán)境下，飛行員需要更加謹慎，并依賴于其他導航和感知設備，如雷達、紅