飞行力学与飞行控制讲稿

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,飞机飞行力学与飞行控制,艾剑良教授,2024/11/28,1,第一章 绪论,一、飞行器的基本概念,飞行器,在大气层内或大气外层外空间（太空）飞行的器械,大气飞行环境,对流层,（低纬度地区16-18,km；,中纬度地区10-12,km；,高纬度地区8-9,km) (,气候现象复杂）,平流层（同温层）,位于对流层之上，顶界伸展到约50-55,km（,气流平稳，空气稀薄，阻力小，操稳性差）,2024/11/28,2,中间层,从平流层顶延伸到大约,80km（,空气有相当激烈的垂直运动）,热层,从,中间,层顶延伸到大约,800km（,空气非常稀薄，电离层影响飞行器的无线电通讯）,逃逸层（外大气层）,热层以上（空气极其稀薄，地球引力很小，航天器脱离此层后便进入太空飞行）,2024/11/28,3,飞行器的分类：,航空器、航天器、火箭和导弹,航空器：,在大气层内飞行，气球、飞艇、飞机（固定翼）和直升飞机等（空气的静浮力或空气动力）；,航天器：,在大气层外飞行，人造地球卫星、空间站、载人飞船、空间探测器、航天飞机等（运载火箭推动下获得必要速度进入太空，在引力作用下进行轨道运动，姿态控制利用发动机）；,火箭：,火箭发动机作为动力，可在大气层内或外 ，一次性使用；,2024/11/28,4,导弹：,大气层外的弹道导弹、装有翼面在大气层内飞行地空导弹、巡航导弹等（和飞机很相似！），一次性使用； （航空发动机，火箭发动机作为动力）,飞机的分类：,有人驾驶飞机、无人驾驶飞机,有人驾驶飞机：,歼击机（战斗机）、截击机、歼击轰炸机、强击机（攻击机）、轰炸机、反潜机、侦察机、预警机、电子干扰机、军用运输机、空中加油机、舰载飞机等；旅客机、货机、公务机、农业机、体育运动机、救护机等,2024/11/28,5,无人驾驶飞机：,无人飞机和微型无人飞机,最大尺寸微型飞行器,英国的,“,Sender,”,无人机,微型飞行器和小尺寸无人机的尺寸对比,2024/11/28,6,“黑寡妇”微型飞机,“,微星,”,微型,飞机,2024/11/28,7,特殊航空器：,微型扑翼和旋翼飞机,加州理工大学的,“,微型蝙蝠,”,微型扑翼飞机,美国加州大学：扑翼机（翼展,200,mm，,总重11.5克，微型电机驱动,2024/11/28,8,美国洛克尼克的“克里扑里”微型旋翼飞行器,该微型旋翼飞行器基本尺寸为10,cm，,重316,g，,其中发动机为微型柴油发动机，重37,g，,燃油重132,g。,上部装旋翼，下部装照相机，采用,GPS,自动驾驶，留空时间30,min。,可携带大约100,g,的设备。,德国研制出了长24,mm，,高8,mm，,重400,mg,的双旋翼飞行器。该机采用两个直径为2,mm,的微型电机。通过外接电源和比头发丝细得多的长导线，使位于电动机轴端的旋翼方向旋转。该微型飞行器可在一颗花生米大小的地方起飞,2024/11/28,9,2024/11/28,10,二、课程的任务,研究对象：,有人驾驶飞机,研究内容：,飞机飞行性能、飞机的稳定性和操纵性,飞机飞行性能：,注重研究飞机质心的运动规律。确定飞机的基本飞行性能、续航性能、机动性能、起降性能等；,飞机的稳定性和操纵性：,着重分析存在外界扰动或操纵作用下飞机的运动特性，包括如何实现各种平衡飞行、平衡飞行状态受外界扰动后所呈现的运动稳定性及飞机对于操纵的响应等,2024/11/28,11,三、飞机的主要组成部分及其功能,2024/11/28,12,机翼 ：,产生升力 ，机翼上一般有用于横向操纵的副翼和扰流片；机翼前后缘部分还设有各种形式的襟翼，增加升力,尾翼：,水平尾翼和垂直尾翼；,V,型尾翼,；,水平尾翼一般有水平安定面和升降舵组成；垂直尾翼一般有垂直安定面和方向舵组成；超音速飞行时通常采用全动水平尾翼（差动）；鸭翼,机身：,容纳人员、货物或其他载重和设备；要求流线；飞翼式飞机取消机身。,起落架：,起飞降落（机轮、滑撬、浮桶）,2024/11/28,13,操纵系统：动力装置：机载设备：,2024/11/28,14,第二章 飞机的一般运动方程,一、常用坐标体系、飞机运动参数定义及坐标系转换,常用坐标体系（全部为右手直角坐标系）,地面坐标系,Ax,d,y,d,z,d,：,地面坐标系是相对地球表面固定不动的，它的原点,A,位于地面的任意选定的某固定点，而,Ax,d,轴位于地平面内并选定的任一指定的方向，,Ay,d,轴铅垂向上，,Az,d,位于水平面内,地轴系常用在表示飞机在空间的位置和飞行轨迹。,2024/11/28,15,机体坐标轴系,Ox,t,y,t,z,t,：,机体坐标轴系是固连与飞机并随飞机一起运动的一种动坐标系。其原点位于飞机的重心，,Ox,t,轴与机翼的,平均空气动力弦线,或机身轴平行，指向机头的方向为正，,Oy,t,轴位于飞机的对称面内垂直于,Ox,t,轴，向上为正，而,Oz,t,轴则垂直与飞机的对称面，向右为正,气动力矩的三个分量即滚转力,Mx,，,偏航力矩,My,和俯仰力矩,Mz,是在该轴系中定义的。,2024/11/28,16,图2-1,2024/11/28,17,气流坐标轴系,Ox,q,y,q,z,q,：,气流坐标轴系又称速度坐标系或风轴系。其原点位于飞机的重心，而,Ox,q,轴始终指向飞行速度方向，,Oy,q,轴位于飞机对称面内垂直与,Ox,q,轴，向上为正，,Oz,q,轴垂直与,Ox,q,y,q,平面，向右为正。气动力三个分量即(升力,Y，,阻力,Q,和侧力,Z),就是在该轴系中定义的，其中阻力沿,Ox,q,轴负向，,2024/11/28,18,半机体坐标系,Ox,b,y,b,z,b,：,O,在质心,Ox,b,沿飞行速度矢量,V,在飞机对称平面投影方向，,Oy,b,在对称平面内，垂直于,Ox,b,向上（因而与,Oy,q,重合），,Oz,b,垂直于飞机对称平面（与轴,Oz,t,重合）。,2024/11/28,19,图2-2,2024/11/28,20,航迹坐标系,Ox,h,y,h,z,h,：,O,在质心，,Ox,h,与,Ox,q,一致，,Oy,h,在包含飞行速度矢量,V,的铅垂面内，指向上，,Oz,h,垂直于,Ox,h,y,h,（,因而使水平的），指向右。,2024/11/28,21,图2-3,2024/11/28,22,稳定性坐标系,Ox,W,y,W,z,W,:,原点,O,在飞机质心处，,Ox,W,沿基准运动速度,V,0,矢量在飞机对称平面投影方向，,Oy,W,在飞机对称面内并垂直于,Ox,W,指向上，,Oz,W,垂直于飞机对称平面指向右(因而与,Ozt,轴与重合）。由于在扰动运动中次轴系固连与飞机，因此它与机体坐标轴具有相同的性质。不过这两种轴系之间相差一个基准运动状态的迎角,a,0,。,2024/11/28,23,飞机运动参数定义,飞机的空间位置：,用飞机质心在地轴系中的坐标,X,d,，Y,d,，,Z,d,来确定，其中，,Y,d,与飞行高度,H,仅差一个定值，因此用,Y,d,来表示,H。,2024/11/28,24,俯仰角,飞机纵轴,Ox,t,与水平面,Ax,d,z,d,间夹角。当,Ox,t,向上方倾斜时，为正(图2-1所示为正） 。,偏航角,飞机纵轴,Ox,t,在水平面上的投影线与地面轴,Ax,d,之间的夹角。按右手法则绕,Ay,d,转到该投影线则为正(图2-1所示为正）,。,滚转角,飞机对称平面,Ox,t,y,t,与包含纵轴,Ox,t,之间的夹角。按右手法则绕,Ox,t,轴从铅垂面转道飞机对称面,即右翼下沉时,为正(图2-1所示为正） 。,飞机在空间的姿态,2024/11/28,25,速度矢量相对于机体的方位,迎角,飞机速度矢量,v,在飞机对称面上的投影线与机体轴,OX,t,之间的夹角。当投影线在机体纵轴的下方时为正。,侧滑角,飞机速度矢量,v,与飞机对称面之间的夹角。当速度矢量偏向对称面右时为正,2024/11/28,26,速度矢量相对于地面的方位,航迹倾斜角,飞行速度矢量,V,与水平面,Ax,d,z,d,之间的夹角，当速度,V,向上方倾斜时,为正。,航迹偏转角,s,飞行速度矢量,V,在水平面上的投影与地轴,Ax,d,之间的夹角，绕轴,Ay,d,按右手法则决定正负（图2-3所示为正） 。,绕飞行速度矢量的滚转角,s,气流坐标轴系 平面,Ox,q,y,q,和航迹坐标系平面,Ox,h,y,h,夹角，右翼下沉时,为正(图2-3所示为正）,2024/11/28,27,坐标系转换,坐标转换的一般方法,设有任意矢量,V,在坐标系,Ox,a,y,a,z,a,和,坐标系,Ox,b,y,b,z,b,中的分量分别为 称为由,a,坐标到,b,坐标的变换矩阵,V,a,V,b,由两坐标轴系间的几何关系可知：,V,b,=,L,ba,V,a,式中,2024/11/28,28,称为由,a,坐标到,b,坐标的变换矩阵, ，它的各元素是相应的坐标轴之间的方向余弦.并有性质：,（1）,Lab,与,Lba,互逆；,（2）,L,矩阵左乘它的转置矩阵等于单位矩阵,；,2024/11/28,29,常用坐标体系间的变换矩阵,2024/11/28,30,二、在动坐标系中质点的速度和加速度,在,旋转体上某一点,P,的速度,V,为角速度矢量,和矢径,r,叉积，即 , 如图中旋转轴上的,O,点线速度为,V,0,，,则,P,点的合速度为,2024/11/28,31,矢,量导数,dA,/,dt,是矢量端点的速度,2024/11/28,32,旋,转,坐标轴上的矢量,A,的导数,2024/11/28,33,如果坐标轴不旋转，显然后三项为零。如果坐标轴的角速度为,，,则有,式中,2024/11/28,34,动,坐标系中质点的速度和加速度,设一动坐标系,Oxyz,，,其原点,O,的速度为 ，而坐标系绕质心以角速度,旋转，有设有相对此坐标系位置为固定的（这符合飞机为刚体的假设）某质点，其坐标位置为,质点,dm,的合速度为,此合速度在三个,坐标轴的分量为,2024/11/28,35,质点,dm,的合速度对时间求导数得,dm,的合加速度,：,由于质点,dm,相对于动坐标系的位置不变，即矢径,r,的大小不变，而仅改变其空间位置，所以,经过矢量运算可得,2024/11/28,36,合加速度在动坐标轴的分量为,2024/11/28,37,二、,飞机的一般运动方程,主要简化假定,把地轴系视作惯性坐标轴系，即忽略了地球的旋转运动与地球质心的曲线运动。视地面为平面。,忽略因飞行高度变化引起的重力加速度的变化。,视飞机为刚体，飞机运动所产生的陀螺力矩与飞机本身的惯性力矩相比较是可以忽略的。,忽略飞机燃油引起的飞机质量的变化，即视飞机质量为常量。,2024/11/28,38,对任意活动坐标系的飞机质心刚体动力学方程,选择原点,O,和飞机质心重合而且固连于飞机的动坐标系（广义体轴系）,Oxyz,。,设 分别为质心沿动坐标系的速度分量； 分别为飞机角速度在动坐标系的分量，,有力方程,（,x=y=z=0）,2024/11/28,39,动量矩定理,h,为质点系对所选择点的动量矩，,M,为对所选择点的合外力矩。（选择点在此为质心，即动坐标原点,O）,2024/11/28,40,利用动坐标系中质点的速度，并考虑到,可得,2024/11/28,41,矢量导数,：,动量矩（力矩）方程可写为,式中,2024/11/28,42,如果动坐标系选为体轴，考虑到飞机具有纵向对称面，则有,力矩方程可简化为,2024/11/28,43,飞机的运动学方程,飞机姿态方程,2024/11/28,44,质心位置方程,质心相对地轴系各轴的速度为,则有,=,2024/11/28,45,三、,飞行性能及机动性计算时所常用的力的方程、质心运动方程及其简化形式,航迹坐标系下的力的方程,航迹坐标系的旋转角速度在航迹坐标系的分量可表示为：,2024/11/28,46,发动机推力在体轴上的分量,2024/11/28,47,空气动力,R（,对应的升力,Y，,阻力,Q,和侧力,Z）,在气流坐标系定义：,重力,G,在地面坐标系的分量为：,2024/11/28,48,合外力,F,转换成航迹坐标系后，得：,2024/11/28,49,飞机质心速度矢量在航迹坐标系的分量为：,航迹坐标系下的力的方程为,2024/11/28,50,质心运动方程,2024/11/28,51,简化形式,在铅垂平面内飞行：,飞机对称面和铅垂平面重合，飞行速度矢量始终在铅垂面内。（机动性能：筋斗，跃升，俯冲等）,2024/11/28,52,在铅垂平面内作等速直线飞行（定直飞行）：,如果 、 和 较小而且 不大的情况下，有,当飞机作水平直线飞行（定直平飞）时,在基本飞行性能计算和续航性能计算中经常用此公式,2024/11/28,53,若飞机在 的铅垂面内飞行，则运动学方程简化为：,2024/11/28,54,在水平平面内飞行 ：,飞机的飞行轨迹始终位于与海平面平行的平面内飞行,用于研究飞机在水平平面内的机动飞行性能，如水平转弯、盘旋等,2024/11/28,55,若飞机作无侧滑盘旋，则有,若飞机作无侧滑等速盘旋，则有,2024/11/28,56,如果 、 不大而且 也不大的情况下，有,在讨论飞机的正常盘旋飞行时经常利用上式,2024/11/28,57,