2. 起降飞行力学基础
无人飞行器的起降过程，本质上是四个力在短时间内的重新分配：升力、阻力、推力、重力。理解这四者的平衡关系，才能判断一架无人机在什么条件下能离地、以多快速度离地、以及着陆时如何安全减速。本节先建立受力分析的基本框架，再讨论地面效应对起降的影响，最后对比垂直起降与滑跑起降的受力差异。
一、四力平衡的基本关系
在飞行力学中，通常采用机体坐标系或气流坐标系描述受力。为便于分析，本节统一约定：升力垂直于来流方向向上，阻力平行于来流方向向后，推力沿机体纵轴向前，重力始终竖直向下。所有角度以水平面为基准，抬头为正。
平飞时，四个力满足两组平衡：竖直方向升力等于重力，水平方向推力等于阻力。写成表达式为：
L = W = m·g
T = D其中 L 为升力，W 为重力，m 为质量，g 取 9.81 m/s²，T 为推力，D 为阻力。升力公式为 L = ½ρV²S·C_L，阻力公式为 D = ½ρV²S·C_D。ρ 是空气密度，V 是空速，S 是机翼参考面积，C_L 和 C_D 分别是升力系数和阻力系数。
这两个公式揭示了起降控制的核心矛盾：升力与速度的平方成正比。一架质量 5 kg 的多旋翼，若悬停时需要产生 49 N 的升力，当空速从 0 增加到 10 m/s 时，同样迎角下升力会增大 100 倍。这意味着固定翼无人机必须加速到一定速度才能获得足够升力，而多旋翼则通过旋转机翼（旋翼）直接产生升力，不依赖前飞速度。
教学示例（假设参数）：某固定翼无人机质量 m = 3 kg，机翼面积 S = 0.35 m²，空气密度 ρ = 1.225 kg/m³，起飞迎角对应 C_L = 0.8。则离地所需升力 L = 3 × 9.81 = 29.43 N。由 L = ½ρV²S·C_L 反解速度：V = √(2L / (ρ·S·C_L)) = √(2×29.43 / (1.225×0.35×0.8)) ≈ 13.1 m/s。也就是说，这架无人机至少需要加速到约 13 m/s 才能离地。若跑道加速能力不足，就必须增大机翼面积或提高 C_L（如增加襟翼偏角）。
二、地面效应及其对起降的影响
当无人机离地高度小于一个翼展时，机翼下方的气流受到地面阻挡，下洗减弱，有效迎角增大，升力增加、诱导阻力减小，这种现象称为地面效应。通常认为，高度低于一个翼展时地面效应明显，低于半个翼展时影响显著。
地面效应对起降有两面性。有利的一面是：起飞滑跑阶段，地面效应提供额外升力，使无人机能在更低速度下离地；着陆时，地面效应起到“气垫”作用，减缓下沉率。不利的一面是：一旦飞出地面效应区，升力会突然下降，若速度和推力不足，可能出现“离地后掉高度”的现象。因此，起飞抬前轮后应保持一段低高度加速，待速度超过安全值再爬升。
对于多旋翼，地面效应同样存在。悬停高度低于旋翼直径时，旋翼下洗气流反弹，导致拉力波动和姿态扰动。实际起降中，建议在 0.5～1 倍旋翼直径高度以上再进入稳定悬停，避免在强地面效应区长时间停留。
三、垂直起降与滑跑起降的受力差异
垂直起降（VTOL）与滑跑起降（CTOL）的根本区别在于升力的来源和速度依赖关系。
垂直起降依靠旋翼或涵道风扇直接产生升力，升力大小与空速无关，只取决于旋翼转速和桨叶迎角。悬停时推力等于重力，起飞时推力略大于重力即可离地。其受力特点是：推力方向与升力方向重合或接近，不需要跑道加速，但推力需求大，能耗高。多旋翼在悬停时，四个电机需要持续输出约等于重力的总拉力，若单个电机效率为 5 g/W，则 5 kg 无人机悬停功耗约 1000 W。
滑跑起降依靠机翼在前飞中产生升力，升力与速度平方成正比。起飞时，推力首先用于克服阻力和加速，当速度达到离地速度后，升力等于重力，飞机离地。其受力特点是：推力主要用于加速，升力由速度产生，需要跑道长度，但巡航效率高。着陆时，飞机减速，升力下降，重力占主导，需要控制下沉率。
| 对比项 | 垂直起降 | 滑跑起降 |
|---|---|---|
| 升力来源 | 旋翼直接产生 | 机翼前飞产生 |
| 升力与速度关系 | 无关 | 与速度平方成正比 |
| 推力主要用途 | 平衡重力 | 克服阻力并加速 |
| 地面效应影响 | 悬停高度低于旋翼直径时明显 | 离地高度低于翼展时明显 |
| 起降场地 | 小块平地即可 | 需要跑道或弹射/拦阻 |
| 能耗特征 | 起降阶段功耗高 | 起降阶段功耗低，巡航效率高 |
四、起降控制中的实际判断
在实际起降控制中，需要根据受力关系判断几个关键量。对于滑跑起降，离地速度 V_LO 由 L = W 确定，即 V_LO = √(2W / (ρ·S·C_Lmax))。若跑道长度有限，需要检查加速能力是否足够。对于垂直起降，悬停油门由 T = W 确定，若悬停油门超过 70%，说明动力余量不足，抗风能力差。
判断依据：滑跑起降时，若飞机在跑道末端仍未达到离地速度，应中止起飞；垂直起降时，若悬停油门超过 75% 或姿态波动明显，应检查载重和地面效应影响。着陆时，滑跑起降应保持略高于失速速度的进近速度，垂直起降应避免在 0.5 倍旋翼直径以下快速下降。
总结来说，起降飞行力学的基础是四力平衡。升力与速度的关系决定了滑跑起降需要加速，而垂直起降通过旋翼直接产生升力绕开了速度限制。地面效应在两种起降方式中都存在，但影响尺度和表现不同。掌握这些关系，才能在起降控制中合理设定速度、油门和高度阈值，保证安全离地与着陆。