飛行力學(xué)與飛行控制講稿-1要點(diǎn)課件

飛機(jī)飛行力學(xué)與飛行控制艾劍良教授2022/10/161

第一章緒論

一、飛行器的基本概念飛行器——在大氣層內(nèi)或大氣外層外空間（太空）飛行的器械大氣飛行環(huán)境對流層（低緯度地區(qū)16-18km；中緯度地區(qū)10-12km；高緯度地區(qū)8-9km)(氣候現(xiàn)象復(fù)雜）平流層（同溫層）位于對流層之上，頂界伸展到約50-55km（氣流平穩(wěn)，空氣稀薄，阻力小，操穩(wěn)性差）2022/10/162中間層從平流層頂延伸到大約80km（空氣有相當(dāng)激烈的垂直運(yùn)動）

熱層從中間層頂延伸到大約800km（空氣非常稀薄，電離層影響飛行器的無線電通訊）

逃逸層（外大氣層）熱層以上（空氣極其稀薄，地球引力很小，航天器脫離此層后便進(jìn)入太空飛行）2022/10/163飛行器的分類：航空器、航天器、火箭和導(dǎo)彈

航空器：在大氣層內(nèi)飛行，氣球、飛艇、飛機(jī)（固定翼）和直升飛機(jī)等（空氣的靜浮力或空氣動力）；

航天器：在大氣層外飛行，人造地球衛(wèi)星、空間站、載人飛船、空間探測器、航天飛機(jī)等（運(yùn)載火箭推動下獲得必要速度進(jìn)入太空，在引力作用下進(jìn)行軌道運(yùn)動，姿態(tài)控制利用發(fā)動機(jī)）；

火箭：火箭發(fā)動機(jī)作為動力，可在大氣層內(nèi)或外，一次性使用；

2022/10/164導(dǎo)彈：大氣層外的彈道導(dǎo)彈、裝有翼面在大氣層內(nèi)飛行地空導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈等（和飛機(jī)很相似?。淮涡允褂?；（航空發(fā)動機(jī)，火箭發(fā)動機(jī)作為動力）

飛機(jī)的分類：有人駕駛飛機(jī)、無人駕駛飛機(jī)有人駕駛飛機(jī)：殲擊機(jī)（戰(zhàn)斗機(jī)）、截?fù)魴C(jī)、殲擊轟炸機(jī)、強(qiáng)擊機(jī)（攻擊機(jī)）、轟炸機(jī)、反潛機(jī)、偵察機(jī)、預(yù)警機(jī)、電子干擾機(jī)、軍用運(yùn)輸機(jī)、空中加油機(jī)、艦載飛機(jī)等；旅客機(jī)、貨機(jī)、公務(wù)機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)、體育運(yùn)動機(jī)、救護(hù)機(jī)等2022/10/165無人駕駛飛機(jī)：無人飛機(jī)和微型無人飛機(jī)

最大尺寸微型飛行器英國的“Sender”無人機(jī)微型飛行器和小尺寸無人機(jī)的尺寸對比2022/10/166“黑寡婦”微型飛機(jī)“微星”微型飛機(jī)2022/10/167特殊航空器：微型撲翼和旋翼飛機(jī)加州理工大學(xué)的“微型蝙蝠”微型撲翼飛機(jī)美國加州大學(xué)：撲翼機(jī)（翼展200mm，總重11.5克，微型電機(jī)驅(qū)動2022/10/168美國洛克尼克的“克里撲里”微型旋翼飛行器該微型旋翼飛行器基本尺寸為10cm，重316g，其中發(fā)動機(jī)為微型柴油發(fā)動機(jī)，重37g，燃油重132g。上部裝旋翼，下部裝照相機(jī)，采用GPS自動駕駛，留空時間30min。可攜帶大約100g的設(shè)備。德國研制出了長24mm，高8mm，重400mg的雙旋翼飛行器。該機(jī)采用兩個直徑為2mm的微型電機(jī)。通過外接電源和比頭發(fā)絲細(xì)得多的長導(dǎo)線，使位于電動機(jī)軸端的旋翼方向旋轉(zhuǎn)。該微型飛行器可在一顆花生米大小的地方起飛2022/10/1692022/10/1610二、課程的任務(wù)

研究對象：有人駕駛飛機(jī)

研究內(nèi)容：飛機(jī)飛行性能、飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性

飛機(jī)飛行性能：注重研究飛機(jī)質(zhì)心的運(yùn)動規(guī)律。確定飛機(jī)的基本飛行性能、續(xù)航性能、機(jī)動性能、起降性能等；

飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性：著重分析存在外界擾動或操縱作用下飛機(jī)的運(yùn)動特性，包括如何實現(xiàn)各種平衡飛行、平衡飛行狀態(tài)受外界擾動后所呈現(xiàn)的運(yùn)動穩(wěn)定性及飛機(jī)對于操縱的響應(yīng)等2022/10/1611三、飛機(jī)的主要組成部分及其功能

2022/10/1612機(jī)翼：產(chǎn)生升力，機(jī)翼上一般有用于橫向操縱的副翼和擾流片；機(jī)翼前后緣部分還設(shè)有各種形式的襟翼，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組成；垂直尾翼一般有垂直安定面和方向舵組成；超音速飛行時通常采用全動水平尾翼（差動）；鴨翼

機(jī)身：容納人員、貨物或其他載重和設(shè)備；要求流線；飛翼式飛機(jī)取消機(jī)身。

起落架：起飛降落（機(jī)輪、滑撬、浮桶）

2022/10/1613操縱系統(tǒng)：

動力裝置：

機(jī)載設(shè)備：2022/10/1614第二章飛機(jī)的一般運(yùn)動方程

一、常用坐標(biāo)體系、飛機(jī)運(yùn)動參數(shù)定義及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

常用坐標(biāo)體系（全部為右手直角坐標(biāo)系）地面坐標(biāo)系A(chǔ)xdydzd：地面坐標(biāo)系是相對地球表面固定不動的，它的原點(diǎn)A位于地面的任意選定的某固定點(diǎn)，而Axd

軸位于地平面內(nèi)并選定的任一指定的方向，Ayd軸鉛垂向上，Azd位于水平面內(nèi),地軸系常用在表示飛機(jī)在空間的位置和飛行軌跡。2022/10/1615機(jī)體坐標(biāo)軸系Oxtytzt：機(jī)體坐標(biāo)軸系是固連與飛機(jī)并隨飛機(jī)一起運(yùn)動的一種動坐標(biāo)系。其原點(diǎn)位于飛機(jī)的重心，Oxt

軸與機(jī)翼的平均空氣動力弦線或機(jī)身軸平行，指向機(jī)頭的方向為正，Oyt軸位于飛機(jī)的對稱面內(nèi)垂直于Oxt軸，向上為正，而Ozt軸則垂直與飛機(jī)的對稱面，向右為正

氣動力矩的三個分量即滾轉(zhuǎn)力Mx，偏航力矩My和俯仰力矩Mz是在該軸系中定義的。

2022/10/1616圖2-12022/10/1617氣流坐標(biāo)軸系Oxqyqzq：氣流坐標(biāo)軸系又稱速度坐標(biāo)系或風(fēng)軸系。其原點(diǎn)位于飛機(jī)的重心，而Oxq軸始終指向飛行速度方向，Oyq軸位于飛機(jī)對稱面內(nèi)垂直與Oxq軸，向上為正，Ozq軸垂直與Oxqyq平面，向右為正。氣動力三個分量即(升力Y，阻力Q和側(cè)力Z)就是在該軸系中定義的，其中阻力沿Oxq軸負(fù)向，2022/10/1618半機(jī)體坐標(biāo)系Oxbybzb

：O在質(zhì)心,Oxb沿飛行速度矢量V在飛機(jī)對稱平面投影方向，Oyb在對稱平面內(nèi)，垂直于Oxb向上（因而與Oyq重合），Ozb垂直于飛機(jī)對稱平面（與軸Ozt重合）。2022/10/1619圖2-22022/10/1620航跡坐標(biāo)系Oxhyhzh

：O在質(zhì)心，Oxh與Oxq一致，Oyh在包含飛行速度矢量V的鉛垂面內(nèi)，指向上，Ozh垂直于Oxhyh（因而使水平的），指向右。2022/10/1621圖2-32022/10/1622穩(wěn)定性坐標(biāo)系

OxWyWzW:原點(diǎn)O在飛機(jī)質(zhì)心處，OxW沿基準(zhǔn)運(yùn)動速度V0矢量在飛機(jī)對稱平面投影方向，OyW在飛機(jī)對稱面內(nèi)并垂直于OxW指向上，OzW垂直于飛機(jī)對稱平面指向右(因而與Ozt軸與重合）。由于在擾動運(yùn)動中次軸系固連與飛機(jī)，因此它與機(jī)體坐標(biāo)軸具有相同的性質(zhì)。不過這兩種軸系之間相差一個基準(zhǔn)運(yùn)動狀態(tài)的迎角a0

。2022/10/1623飛機(jī)運(yùn)動參數(shù)定義飛機(jī)的空間位置：用飛機(jī)質(zhì)心在地軸系中的坐標(biāo)Xd，Yd，Zd來確定，其中，Yd與飛行高度H僅差一個定值，因此用Yd來表示H。2022/10/1624俯仰角

—飛機(jī)縱軸Oxt與水平面Axdzd間夾角。當(dāng)Oxt向上方傾斜時，為正(圖2-1所示為正）。

偏航角Ψ

—飛機(jī)縱軸Oxt在水平面上的投影線與地面軸Axd之間的夾角。按右手法則繞Ayd轉(zhuǎn)到該投影線則為正(圖2-1所示為正）。

滾轉(zhuǎn)角γ

—飛機(jī)對稱平面Oxtyt與包含縱軸Oxt之間的夾角。按右手法則繞Oxt軸從鉛垂面轉(zhuǎn)道飛機(jī)對稱面,即右翼下沉?xí)rγ為正(圖2-1所示為正）。

飛機(jī)在空間的姿態(tài)2022/10/1625速度矢量相對于機(jī)體的方位

迎角α—飛機(jī)速度矢量v在飛機(jī)對稱面上的投影線與機(jī)體軸OXt之間的夾角。當(dāng)投影線在機(jī)體縱軸的下方時為正。

側(cè)滑角β—飛機(jī)速度矢量v與飛機(jī)對稱面之間的夾角。當(dāng)速度矢量偏向?qū)ΨQ面右時為正

2022/10/1626速度矢量相對于地面的方位

航跡傾斜角θ—飛行速度矢量V與水平面Axdzd之間的夾角，當(dāng)速度V向上方傾斜時θ為正。

航跡偏轉(zhuǎn)角Ψs—飛行速度矢量V在水平面上的投影與地軸Axd之間的夾角，繞軸Ayd按右手法

則決定正負(fù)（圖2-3所示為正）。

繞飛行速度矢量的滾轉(zhuǎn)角γs—?dú)饬髯鴺?biāo)軸系平面Oxqyq和航跡坐標(biāo)系平面Oxhyh夾角，右翼下沉?xí)rγ為正(圖2-3所示為正）2022/10/1627坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的一般方法

設(shè)有任意矢量V在坐標(biāo)系Oxayaza和坐標(biāo)系Oxbybzb中的分量分別為稱為由a坐標(biāo)到b坐標(biāo)的變換矩陣

Va＝

Vb＝

由兩坐標(biāo)軸系間的幾何關(guān)系可知：Vb=LbaVa式中2022/10/1628稱為由a坐標(biāo)到b坐標(biāo)的變換矩陣,，它的各元素是相應(yīng)的坐標(biāo)軸之間的方向余弦.并有性質(zhì)：（1）

Lab與Lba互逆；（2）

L矩陣左乘它的轉(zhuǎn)置矩陣等于單位矩陣；2022/10/1629常用坐標(biāo)體系間的變換矩陣2022/10/1630二、在動坐標(biāo)系中質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度在旋轉(zhuǎn)體上某一點(diǎn)P的速度V為角速度矢量ω和矢徑r叉積，即,如圖中旋轉(zhuǎn)軸上的O點(diǎn)線速度為V0，則P點(diǎn)的合速度為2022/10/1631矢量導(dǎo)數(shù)dA/dt是矢量端點(diǎn)的速度2022/10/1632旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸上的矢量A的導(dǎo)數(shù)2022/10/1633如果坐標(biāo)軸不旋轉(zhuǎn)，顯然后三項為零。如果坐標(biāo)軸的角速度為ω，則有

式中2022/10/1634動坐標(biāo)系中質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度設(shè)一動坐標(biāo)系Oxyz，其原點(diǎn)O的速度為，而坐標(biāo)系繞質(zhì)心以角速度ω旋轉(zhuǎn)，有設(shè)有相對此坐標(biāo)系位置為固定的（這符合飛機(jī)為剛體的假設(shè)）某質(zhì)點(diǎn)，其坐標(biāo)位置為質(zhì)點(diǎn)dm的合速度為此合速度在三個坐標(biāo)軸的分量為2022/10/1635質(zhì)點(diǎn)dm的合速度對時間求導(dǎo)數(shù)得dm的合加速度：

由于質(zhì)點(diǎn)dm相對于動坐標(biāo)系的位置不變，即矢徑r的大小不變，而僅改變其空間位置，所以經(jīng)過矢量運(yùn)算可得2022/10/1636合加速度在動坐標(biāo)軸的分量為2022/10/1637二、飛機(jī)的一般運(yùn)動方程

主要簡化假定

⑴把地軸系視作慣性坐標(biāo)軸系，即忽略了地球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與地球質(zhì)心的曲線運(yùn)動。視地面為平面。

⑵忽略因飛行高度變化引起的重力加速度的變化。

⑶視飛機(jī)為剛體，飛機(jī)運(yùn)動所產(chǎn)生的陀螺力矩與飛機(jī)本身的慣性力矩相比較是可以忽略的。

⑷忽略飛機(jī)燃油引起的飛機(jī)質(zhì)量的變化，即視飛機(jī)質(zhì)量為常量。

2022/10/1638對任意活動坐標(biāo)系的飛機(jī)質(zhì)心剛體動力學(xué)方程

選擇原點(diǎn)O和飛機(jī)質(zhì)心重合而且固連于飛機(jī)的動坐標(biāo)系（廣義體軸系）Oxyz。設(shè)

分別為質(zhì)心沿動坐標(biāo)系的速度分量；

分別為飛機(jī)角速度在動坐標(biāo)系的分量，有力方程（x=y=z=0）2022/10/1639動量矩定理h為質(zhì)點(diǎn)系對所選擇點(diǎn)的動量矩，M為對所選擇點(diǎn)的合外力矩。（選擇點(diǎn)在此為質(zhì)心，即動坐標(biāo)原點(diǎn)O）2022/10/1640利用動坐標(biāo)系中質(zhì)點(diǎn)的速度，并考慮到可得2022/10/1641矢量導(dǎo)數(shù)：動量矩（力矩）方程可寫為式中2022/10/1642如果動坐標(biāo)系選為體軸，考慮到飛機(jī)具有縱向?qū)ΨQ面，則有力矩方程可簡化為2022/10/1643飛機(jī)的運(yùn)動學(xué)方程

飛機(jī)姿態(tài)方程2022/10/1644

質(zhì)心位置方程質(zhì)心相對地軸系各軸的速度為

則有=

2022/10/1645三、飛行性能及機(jī)動性計算時所常用的力的方程、質(zhì)心運(yùn)動方程及其簡化形式航跡坐標(biāo)系下的力的方程航跡坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度在航跡坐標(biāo)系的分量可表示為：2022/10/1646發(fā)動機(jī)推力在體軸上的分量

2022/10/1647空氣動力R（對應(yīng)的升力Y，阻力Q和側(cè)力Z）在氣流坐標(biāo)系定義：重力G在地面坐標(biāo)系的分量為：2022/10/1648合外力F轉(zhuǎn)換成航跡坐標(biāo)系后，得：

2022/10/1649飛機(jī)質(zhì)心速度矢量在航跡坐標(biāo)系的分量為：

航跡坐標(biāo)系下的力的方程為2022/10/1650質(zhì)心運(yùn)動方程2022/10/1651簡化形式在鉛垂平面內(nèi)飛行：飛機(jī)對稱面和鉛垂平面重合，飛行速度矢量始終在鉛垂面內(nèi)。（機(jī)動性能：筋斗，躍升，俯沖等）2022/10/1652在鉛垂平面內(nèi)作等速直線飛行（定直飛行）：如果、和較小而且不大的情況下