飛行動力學(xué)習(xí)題課(二)2014

1、Flight Dynamics飛行動力學(xué)習(xí)題課飛行動力學(xué)習(xí)題課( (二二) )Flight Dynamics1、幾個(gè)特征點(diǎn)：質(zhì)心、壓心、焦點(diǎn)（中性點(diǎn)）、 握桿機(jī)動點(diǎn)的定義及其位置關(guān)系；2、靜穩(wěn)定性定義：定速靜穩(wěn)定性、速度靜穩(wěn)定性、 定載靜穩(wěn)定性3、零升力矩的含義及飛機(jī)配平飛行的二個(gè)條件；4、靜操縱性的概念、正操縱與反操縱；5、配平對飛機(jī)升力特性的影響； 平衡升降舵偏角隨升力系數(shù)（迎角） 飛行速度的變化規(guī)律；6、定常拉升時(shí)飛機(jī)的平衡特性及平衡舵偏角的變化規(guī)律。第七章知識要點(diǎn)Flight Dynamics7.1 7.1 何謂飛行器全機(jī)焦點(diǎn)？分析影響焦何謂飛行器全機(jī)焦點(diǎn)？分析影響焦 點(diǎn)位置的主要因素

2、。點(diǎn)位置的主要因素。全機(jī)焦點(diǎn)取決于翼身組合體的焦點(diǎn)位置和平尾所引起的焦點(diǎn)后移量，因此影響焦點(diǎn)位置的因素有飛機(jī)的氣動布局。另外 影響焦點(diǎn)的位置，亞音速時(shí) 增大，全機(jī)焦點(diǎn)變化不大；跨音速全機(jī)焦點(diǎn)迅速后移；超音速機(jī)翼焦點(diǎn)變化不大，但是機(jī)翼引起的下洗減小，使平尾引起的焦點(diǎn)后移顯著增加。MaMa全機(jī)焦點(diǎn)為迎角變化時(shí)全機(jī)升力增量的作用點(diǎn)，在焦點(diǎn)處當(dāng)迎角變化時(shí)，氣動力對該點(diǎn)的力矩不變。Flight Dynamics7.2 7.2 縱向定速靜穩(wěn)定性和定載靜穩(wěn)定性縱向定速靜穩(wěn)定性和定載靜穩(wěn)定性定載靜穩(wěn)定性定載靜穩(wěn)定性：飛機(jī)受擾動后，會引起迎角和飛行速度均發(fā)生變化，但二者的變化滿足 的約束。即研究飛機(jī)作定直水平飛

3、行時(shí)，受到瞬態(tài)擾動，飛機(jī)有無恢復(fù)原平衡狀態(tài)的趨勢，稱之為定載靜穩(wěn)定性。1nn 定速靜穩(wěn)定性定速靜穩(wěn)定性（迎角靜穩(wěn)定性）：給定速度和升降舵偏角，飛機(jī)在某一平衡狀態(tài)，受瞬時(shí)擾動，增加，能夠產(chǎn)生小于0的恢復(fù)力矩M，趨于減小 。具有恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的趨勢。稱飛機(jī)在原平衡狀態(tài)是定速靜穩(wěn)定的。Flight Dynamics7.3 7.3 說明飛行器在跨聲速區(qū)飛行時(shí)出現(xiàn)說明飛行器在跨聲速區(qū)飛行時(shí)出現(xiàn)“自動俯沖自動俯沖”現(xiàn)象的物理原因。現(xiàn)象的物理原因。1()2nmmamnLLLadCCMCdCCCMmaCM1()0nmnLdCdC在跨音速區(qū)，出現(xiàn)自動俯沖現(xiàn)象主要原因是由于空氣壓縮性使全機(jī)焦點(diǎn)迅速后移，產(chǎn)生低頭

4、力矩，使得飛機(jī)失去了定載靜穩(wěn)定性。 跨音速區(qū)全機(jī)焦點(diǎn)迅速后移為大的負(fù)值，使Flight Dynamics12120.0050.0250.573(1/)(46)/57.3mmmCCCrad0.5730.163253.51mmLLCCCCmCmLCC靜不穩(wěn)定！ 變化的量： 不變的量：焦點(diǎn)位置、升力曲線重心移動后重心移動后（1）（2）7.4 在風(fēng)洞中測得某機(jī)縱向力矩參數(shù)與迎角成線性關(guān)系，在風(fēng)洞中測得某機(jī)縱向力矩參數(shù)與迎角成線性關(guān)系，且測得且測得1=4時(shí)，時(shí)，Cm1=0.005; 2=6時(shí)，時(shí)，Cm2=0.025。已知。已知CL=3.5 1/rad，試確定該機(jī)的靜穩(wěn)定導(dǎo)數(shù)試確定該機(jī)的靜穩(wěn)定導(dǎo)數(shù) 。又如

5、只。又如只改變飛機(jī)的質(zhì)心位置，測得改變飛機(jī)的質(zhì)心位置，測得3=4時(shí)，時(shí)，Cm3=0.025。試求質(zhì)。試求質(zhì)心的相對移動量。心的相對移動量。mLCCFlight Dynamics00()mmmLmLcgacLCCCCCCxxCmLcgCCx0LLLCCCLLCC 來流與機(jī)體X軸的夾角來流與零升力線的夾角 定義：cgxLC0mCacxcgxcgxFlight Dynamics第八章知識要點(diǎn)u 橫航向靜穩(wěn)定性定義u 飛機(jī)構(gòu)形和飛行狀態(tài)對飛機(jī)橫航向靜穩(wěn)定性的影響規(guī)律u 方向舵和副翼的操縱定義u 定直側(cè)滑飛行的平衡u 側(cè)風(fēng)著陸的平衡u 不對稱推力的平衡Flight Dynamics8.18.1方向舵固定

6、在中立位置時(shí)，方向舵固定在中立位置時(shí)， 曲線為曲線為什么常通過原點(diǎn)，呈反對稱變化？偏轉(zhuǎn)方向什么常通過原點(diǎn)，呈反對稱變化？偏轉(zhuǎn)方向舵時(shí)，如在氣動力線形變化范圍，則曲線如舵時(shí)，如在氣動力線形變化范圍，則曲線如何變化？何變化？nC方向舵固定在中立位置時(shí)，通常情況飛機(jī)左右完全對稱， 時(shí)不產(chǎn)生偏航力矩，因此 曲線常通過原點(diǎn)。飛機(jī)航向靜穩(wěn)定時(shí)， 時(shí)產(chǎn)生正的偏航力矩； 時(shí)產(chǎn)生負(fù)的偏航力矩，因飛機(jī)左右完全對稱，因此有 ，即呈反對稱變化。0nC00( )()nnCC Flight Dynamics0r偏轉(zhuǎn)方向舵時(shí)，若nC0rFlight Dynamics8.28.2何謂飛行器的航向靜穩(wěn)定性和橫向靜穩(wěn)何謂飛行器的

7、航向靜穩(wěn)定性和橫向靜穩(wěn)定性？影響橫航向靜穩(wěn)定性的主要因素是什定性？影響橫航向靜穩(wěn)定性的主要因素是什么？么？航向靜穩(wěn)定性：航向靜穩(wěn)定性：飛機(jī)在平衡狀態(tài)下受到外界非對稱瞬時(shí)擾動，產(chǎn)生小的側(cè)滑0，則飛機(jī)產(chǎn)生右偏航力矩，使飛機(jī)機(jī)頭向右偏，以減小的趨勢，稱飛機(jī)在原平衡狀態(tài)具有航向靜穩(wěn)定性。否則，則為航向靜不穩(wěn)定。主要影響因素 機(jī)身作用：航向靜不穩(wěn)定部件 Flight Dynamics橫向靜穩(wěn)定性：飛機(jī)在平衡狀態(tài)下受到外界非對稱瞬時(shí)擾動，產(chǎn)生小的左傾斜?0，升力和重力的合力作用使飛機(jī)向左側(cè)滑，0，飛機(jī)產(chǎn)生右滾力矩，具有減小?，使飛機(jī)保持機(jī)翼水平的趨勢，稱飛機(jī)在原平衡狀態(tài)具有橫向靜穩(wěn)定性。否則，為橫向靜不穩(wěn)

8、定。主要影響因素 機(jī)翼后掠作用:產(chǎn)生橫向和航向靜穩(wěn)定作用 機(jī)翼上反作用:機(jī)翼上反產(chǎn)生橫向和航向靜穩(wěn)定作用 翼身干擾:翼身干擾對橫航向靜穩(wěn)定性有影響；上單翼飛機(jī)一般不采用上反角。Flight Dynamics8.48.4試推導(dǎo)因非對稱裝載在飛行器上作用有不試推導(dǎo)因非對稱裝載在飛行器上作用有不對稱滾轉(zhuǎn)力矩對稱滾轉(zhuǎn)力矩 時(shí)，為保持定直飛行所需要時(shí)，為保持定直飛行所需要的副翼、方向舵偏角的表達(dá)式的副翼、方向舵偏角的表達(dá)式( (設(shè)設(shè) 可忽略可忽略) )。LanCsin000rarrrarrCCLLLLLNN sin000rarrccrLllalrl LnnrCCCCCCCCCrnrnCC rraarln

9、lnl LallnC CC CCCC C 寫成無因次形式：得：Flight Dynamics第九章知識要點(diǎn)1、縱向動穩(wěn)定性和靜穩(wěn)定性的區(qū)別與聯(lián)系2、飛機(jī)擾動運(yùn)動模態(tài)的概念和主要特征參數(shù)3、縱向兩種典型模態(tài)及其物理成因4、短、長周期模態(tài)簡化分析的依據(jù)及方法5、縱向動操縱性和靜操縱性的概念6、飛機(jī)對升降舵和油門操縱的響應(yīng)特性Flight Dynamics9.19.1試說明試說明縱向動穩(wěn)定性和靜穩(wěn)定性縱向動穩(wěn)定性和靜穩(wěn)定性的區(qū)別的區(qū)別與聯(lián)系與聯(lián)系動穩(wěn)定性：飛機(jī)在受擾作用后，會偏離其平衡狀態(tài)的基準(zhǔn)狀態(tài)，擾動作用停止后，飛機(jī)能否恢復(fù)到它基準(zhǔn)狀態(tài)的一種全過程特性。靜穩(wěn)定性：飛機(jī)在受瞬時(shí)干擾后是否具有恢復(fù)到

10、原來平衡狀態(tài)的趨勢。靜穩(wěn)定性關(guān)注的是飛機(jī)是否具有具有恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的趨勢；動穩(wěn)定性關(guān)注的是飛機(jī)響應(yīng)的整個(gè)過程的特性，如超調(diào)等。具有動穩(wěn)定性的飛機(jī)一定是靜穩(wěn)定的；靜穩(wěn)定的飛機(jī)不一定是動穩(wěn)定的。Flight Dynamics9.2 9.2 試說明縱向擾動兩種典型模態(tài)的特點(diǎn)、試說明縱向擾動兩種典型模態(tài)的特點(diǎn)、物理成因以及影響模態(tài)特性的主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù)。物理成因以及影響模態(tài)特性的主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù)。mCmqCmC影響短周期模態(tài)特性的主要導(dǎo)數(shù)：短周期：主要表現(xiàn)為迎角和俯仰角速度的變化，衰減很快，而速度基本不變。其主要原因是：一般正常式飛機(jī)來說，通常具有較大的縱向靜穩(wěn)定導(dǎo)數(shù) 。因此飛機(jī)受到擾動后，產(chǎn)生的靜穩(wěn)定力

11、矩必然引起較大的俯仰角加速度，從而使迎角和俯仰角的迅速變化；另一方面，阻尼力矩 和 都比較大，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動很快衰減。 MMqM qFlight Dynamics長周期：主要表現(xiàn)為飛行速度和俯仰角的緩慢變化。主要原因：由于飛機(jī)的質(zhì)量較大，而起恢復(fù)和阻尼作用的氣動力 和 相對比較小，所以作用在飛機(jī)上的外力處于不平衡狀態(tài)持續(xù)較長時(shí)間，重力和升力的作用使飛機(jī)航跡和速度變化。 VZVVXV LVCDVC影響模態(tài)特性的主要導(dǎo)數(shù)：TVC9.2 9.2 試說明縱向擾動兩種典型模態(tài)的特點(diǎn)、試說明縱向擾動兩種典型模態(tài)的特點(diǎn)、物理成因以及影響模態(tài)特性的主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù)。物理成因以及影響模態(tài)特性的主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù)。Flight

12、 Dynamicsq 255eqq 010525eqq 11 2i 10.1826 0.36510.9129iv21 2i 20.1826 0.36510.9129iv微分方程變?yōu)椋簩懗蔂顟B(tài)空間表達(dá)形式： (1)(2)9.39.3對一架在重心處固定的飛機(jī)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。若其俯對一架在重心處固定的飛機(jī)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。若其俯仰軸運(yùn)動滿足仰軸運(yùn)動滿足 其中角度單位為弧度。其中角度單位為弧度。將該方程重寫為標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)空間表達(dá)式，即如將該方程重寫為標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)空間表達(dá)式，即如 確定矩陣確定矩陣A A的特征值換個(gè)特征矢量；的特征值換個(gè)特征矢量；確定無阻尼自由振蕩頻率確定無阻尼自由振蕩頻率n和阻尼比和阻尼

13、比；確定對單位階躍的響應(yīng)，并做出時(shí)間歷程曲線，假定初確定對單位階躍的響應(yīng)，并做出時(shí)間歷程曲線，假定初值為零。值為零。255e xAxBuFlight Dynamics(4)0246810-1.5-1-0.50t(s)0246810-1.5-1-0.500.5t(s)( / )qs( )21,21nni 2.2418n0.4461由得：(3)Flight Dynamics9.5 9.5 如果飛機(jī)外型布局中焦點(diǎn)位于質(zhì)心之前如果飛機(jī)外型布局中焦點(diǎn)位于質(zhì)心之前( (縱向放寬靜穩(wěn)定性縱向放寬靜穩(wěn)定性) )，試考慮，試考慮: :(1)(1)它對飛機(jī)它對飛機(jī)的縱向平衡、穩(wěn)定性和操縱性有何影響？的縱向平衡、穩(wěn)

14、定性和操縱性有何影響？ (2)(2)應(yīng)選擇哪些反饋參數(shù)來保證飛機(jī)具有良應(yīng)選擇哪些反饋參數(shù)來保證飛機(jī)具有良好的飛行品質(zhì)？為什么？好的飛行品質(zhì)？為什么？LGeLeLGL焦點(diǎn)在重心之后焦點(diǎn)在重心之前(1)縱向平衡：Flight Dynamics焦點(diǎn)在重心之前，變成不穩(wěn)定，并難以操縱，必須通過增穩(wěn)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以保證飛機(jī)的穩(wěn)定性。(2)放寬靜穩(wěn)定性后， ，縱向靜不穩(wěn)定，必須借助縱向增穩(wěn)系統(tǒng)：選擇迎角或法向過載反饋來增加飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性；為改善短周期反應(yīng)特性，用俯仰角速度反饋來增加飛機(jī)的阻尼。0mCFlight Dynamics補(bǔ)充：根據(jù)油門的作用原理，試畫出當(dāng)推力線在飛補(bǔ)充：根據(jù)油門的作用原理，試畫出

15、當(dāng)推力線在飛機(jī)機(jī)重心上方重心上方時(shí)，時(shí)，減小油門減小油門時(shí)飛機(jī)四個(gè)狀態(tài)變量的反時(shí)飛機(jī)四個(gè)狀態(tài)變量的反應(yīng)曲線。（注意起始和最終反應(yīng)）。應(yīng)曲線。（注意起始和最終反應(yīng)）。Flight Dynamics1、橫航向動穩(wěn)定性和靜穩(wěn)定性的區(qū)別與聯(lián)系2、橫航向三種典型模態(tài)及其物理成因3、模態(tài)簡化分析的依據(jù)及方法4、橫航向動操縱性和靜操縱性的概念5、飛機(jī)對方向舵和副翼操縱的響應(yīng)特性第十章知識要點(diǎn)Flight Dynamics10.110.1試說明橫航向動穩(wěn)定性和靜穩(wěn)定性的試說明橫航向動穩(wěn)定性和靜穩(wěn)定性的區(qū)別與聯(lián)系區(qū)別與聯(lián)系動穩(wěn)定性：飛機(jī)在受擾作用后，會偏離其平衡狀態(tài)的基準(zhǔn)狀態(tài)，擾動作用停止后，飛機(jī)能否恢復(fù)到它基

16、準(zhǔn)狀態(tài)的一種全過程特性。靜穩(wěn)定性：飛機(jī)在受瞬時(shí)干擾后是否具有恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的趨勢。靜穩(wěn)定性關(guān)注的是飛機(jī)是否具有具有恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的趨勢；動穩(wěn)定性關(guān)注的是飛機(jī)響應(yīng)的整個(gè)過程的特性，如超調(diào)等。具有動穩(wěn)定性的飛機(jī)一定是靜穩(wěn)定的；靜穩(wěn)定的飛機(jī)不一定是動穩(wěn)定的。Flight Dynamics10.210.2試說明橫航向擾動典型模態(tài)的特點(diǎn)、物試說明橫航向擾動典型模態(tài)的特點(diǎn)、物理成因以及影響模態(tài)特性的主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù)。理成因以及影響模態(tài)特性的主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù)。滾轉(zhuǎn)：主要表現(xiàn)為飛機(jī)滾轉(zhuǎn)角速度 和滾轉(zhuǎn)角 的迅速變化，而其他參數(shù)變化很小。一般來說，飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量 通常比偏航轉(zhuǎn)動慣量 小得多，在外界的擾動下，飛

17、機(jī)很容易產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)，而不太容易產(chǎn)生偏航。并且滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù) 較大，使運(yùn)動很快衰減。主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù)主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù):ClppxIzIpL荷蘭滾：飛機(jī)一面來回滾轉(zhuǎn)，一面左右偏航，同時(shí)帶有側(cè)滑。主要原因：假定飛機(jī)受到一個(gè)向右滾轉(zhuǎn)的擾動，因而出現(xiàn)正的側(cè)滑角 ，同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)靜穩(wěn)定力矩 和 ， 使飛機(jī)左滾，滾轉(zhuǎn)角減小， 使飛機(jī)右偏航， 逐漸減小。飛機(jī)在滾轉(zhuǎn)和偏航的過LNLNFlight Dynamics螺旋：主要表現(xiàn)為擾動運(yùn)動后期偏航角和滾轉(zhuǎn)角單調(diào)而緩慢的變化。原因：擾動后期參數(shù) 、 、 的變化均很小，因而作用在飛機(jī)上的側(cè)力和橫航向力矩也很小，加上飛機(jī)的偏航轉(zhuǎn)動慣量 較大，而偏航阻尼力矩又較小。 przIlCnCl

18、rCnrC程中，由于阻尼力矩 和 的作用，使 和 不斷降低。另外，產(chǎn)生的交叉力矩 和 可能對運(yùn)動起促進(jìn)作用，也可能起阻尼作用，視交叉導(dǎo)數(shù)的符號而定。當(dāng)飛機(jī)恢復(fù)到 時(shí)，但一般 不為零，因此飛機(jī)又左滾轉(zhuǎn)，繼而左側(cè)滑 。nCnrCpL prN rprrL rpN p0p主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù)主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù): :主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù)主要?dú)鈩訉?dǎo)數(shù): :Flight Dynamics221 231430Rbb bb bb-8.9779E 0.123772.6E 10.4若飛機(jī)的橫航向特征方程為若飛機(jī)的橫航向特征方程為試求振蕩模態(tài)為中立穩(wěn)定時(shí)試求振蕩模態(tài)為中立穩(wěn)定時(shí)E的值，并近似的值，并近似確定螺旋模態(tài)的特征根。確定螺旋模態(tài)的特征根。（1）振蕩模態(tài)中立穩(wěn)定時(shí)得（2）螺旋模態(tài)的特征根為小的實(shí)數(shù)，忽略掉高階項(xiàng)得： 4325.811.872.60EFlight Dynamics10.510.5分別用四階方程和近似方法計(jì)算典型模分別用四階方程和近似方法計(jì)算典型模態(tài)特性。態(tài)特性。*1cos/0001tan0prprprYYYgVpLLLprNNNr （1）利用四階方程計(jì)算模態(tài)特性）利用四階