第一章-1 飛行動力學-空氣動力學

2011，9第一章飛行力學基礎

空氣動力學

與

飛行力學南航金城學院趙賓飛行控制系統(tǒng)

飛行器+控制系統(tǒng)閉合回路飛行器

空氣中的運動體，一個復雜的被控對象，要想控制它，需要了解氣流特性與飛行器在氣流中飛行時的特性空氣動力學

研究空氣的流體特性飛行力學：

研究飛行器在大氣中飛行時的受力與運動規(guī)律，建立飛行器動力學方程引言第一節(jié)空氣動力學的基本知識第二節(jié)飛行器運動參數(shù)與操縱機構本節(jié)課內容第一節(jié)空氣動力學的基本知識一、流場定義

可流動的介質（水，油，氣等）稱為流體，流體所占據(jù)的

空間稱為流場。流場的描述

流體流動的速度、加速度以及密度、壓強P、溫度T（流體的狀態(tài)參數(shù)）等—

幾何位置與時間的函數(shù)（1）流體微團：

空氣的小分子群，空氣分子間的自由行程與飛行器相比較

太小，可忽略分子的運動（2）流線：

流體微團流動形成的軌線，

流線不相交、流體微團不穿越流線（分子的排斥性）一、流場（續(xù)）（3）流管：

多個流線形成流管

管內氣體不會流出

管外氣體也不會流入，不同的截面上，流量相同（4）定常流：

流場中各點的速度、加速度以及狀態(tài)參數(shù)等只是幾何位置的函數(shù)，與時間無關

（5）流動的相對性

物體靜止，空氣流動物體運動，空氣靜止相對速度相同時，流場中空氣動力相同二、連續(xù)方程在流管上取垂直于流管中心線上流速方向的兩個截面，截面I：截面Ⅱ：空氣流動是連續(xù)的，處處沒有空隙，定常流—流場中各點均無隨時間的分子堆積，因而單位時間內，流入截面Ⅰ的空氣質量必等于流出截面Ⅱ的空氣質量

質量守恒原理在流體力學中的應用或寫成：

在V小、小范圍內連續(xù)方程：A大，V小A小，V大三、伯努利方程（能量守恒定律）在低速不可壓縮的假設下，密度為常數(shù)伯努利方程：其中：p-靜壓，

1/2V2—

動壓，單位體積空氣流動的動能，與高度、速度有關表明靜壓與動壓之和沿流管不變當V=0，p=p0，—最大靜壓

V大，p?。籚小，p大四、馬赫數(shù)M馬赫數(shù)定義為氣流速度(v)和當?shù)匾羲?a)之比:

音速：T:空氣的絕對溫度音速a與溫度有關，表示空氣受壓縮的程度,是高度的函數(shù)臨界馬赫數(shù)Mcr

遠前方的迎面氣流速度V與遠前方空氣的音速a之比迎面氣流的M數(shù)超過Mcr時，翼面上出現(xiàn)局部的超音速區(qū)，將產生局部激波

Mcr-每種機翼的特征參數(shù)飛行速度定義

M<0.5時為低速飛行；0.5<M<Mcr為亞音速飛行;Mcr<M<1.5為跨音速飛行;1.5<M<5為超音速飛行，

M>5為高超音速飛行五、弱擾動的傳播飛機在大氣中飛行—

擾動源1）擾動源v=0，以音速傳播（a）擾動源以速度V在靜止空氣中運動，相當于擾動源靜止而空氣以速度v流動2）V<a,M<1,前方空氣受擾，變化不大（b）3）V=a，M=1,擾動源與擾動波同時到達，前方空氣（c）擾動只影響下游4）V>a,M>1,（d）

前方空氣未受擾飛機前臨近空氣突然，形成激波受擾區(qū)限于擾源下游的馬赫錐內

六、激波氣流以超音速流經物體時，流場中的受擾區(qū)情況與物體的形狀有關，超音速—強擾動，產生激波激波實際上就是氣流各參數(shù)的不連續(xù)分界面在激波之前，氣流不受擾動，氣流速度的大小和方向不變，各狀態(tài)參數(shù)也是常數(shù)；氣流通過激波，其流速突然變小，溫度、壓強、密度等也突然升高鈍頭物體的激波是脫體波（正激波），產生大波阻楔形物體的激波是傾斜的（附體波），波阻較小，用于超音速飛機的機頭

七膨脹波伯努利靜態(tài)公式不適用于高速流動情況，由于空氣高速流動時密度不是常數(shù)由推導伯努利方程動態(tài)過程，得出考慮到空氣的可壓縮性的能量守恒方程：

流管截面積增大(dA為正)的情況下，流速變小或增大,與M數(shù)有關

亞音速時M<1，

(M2-1)為負值，截面積增大則流速變小。超音速時M〉1,(M2-1)為正值，截面積增大流速也增大

超音速氣流的變化過渡區(qū)內氣體是連續(xù)膨脹的，叫膨脹波

常用的空氣動力學的基本概念飛機與氣流的相對作用：風馬赫數(shù)M與空速V，亞音速與超音速動壓：評價飛行速度與高度的指標超音速下的激波、膨脹波伯努里方程:氣流的靜態(tài)方程(亞音速飛行)

第二節(jié)飛行器的運動參數(shù)與操縱機構一、坐標系：

描述飛機的姿態(tài)、位置；飛機在大氣中飛行，運動復雜，有多個坐標系描述；美制與蘇制，國標——美制1.地面坐標系（地軸系）

原點og

—地面某一點（起飛點）

ogxg—地平面內，指向某方向（飛行航線）

ogyg

—地平面內，垂直于ogxg，指向右方

ogzg

—垂直地面，指向地心，

右手定則描述飛機相對于地面的位置

“不動”的坐標系，

慣性坐標系2.機體坐標系（體軸系）S-oxyz原點o—飛機質心ox—飛機機身縱向軸線，處于飛機對稱平面內oy—垂直于飛機對稱平面，指向右方oz—在飛機對稱平面內，垂直于ox向下，描述飛機的姿態(tài)運動3.速度坐標系（氣流軸系）S-oxayaza原點o—飛機質心oxa

—

飛機速度V的方向oza

—飛機對稱平面，垂直于oxa，指向機腹oya

—垂直于oxaza平面，向右描述飛機的速度（軌跡）運動，氣流方向—力的方向（如吹風數(shù)據(jù)）坐標系間可以相互轉換，轉換矩陣兩個主要的坐標系：慣性；機體二、飛機的運動參數(shù)姿態(tài)角：機體軸系與地軸系的關系1.俯仰角

機體軸ox與地平面間的夾角

抬頭為正

2.偏航角機體軸ox在地面上的投影與地軸ogxg間的夾角

機頭右偏航為正

3.滾轉角（傾斜角）機體軸oz與包含機體軸ox的鉛垂面間的夾角，

飛機向右傾斜時為正

統(tǒng)稱歐拉角二、飛機的運動參數(shù)（續(xù)）速度軸系與地面軸系的關系

1.航跡傾斜角飛行速度V與地平面間的夾角以飛機向上飛時為正2.航跡方位角φ飛行速度V在地平面上的投影與ogxg間的夾角速度在地面的投影在ogxg之右時為正3.航跡滾轉角

速度軸oza與包含速度軸oxa的鉛垂面間的夾角，以飛機右傾斜為正

制導、導航中常用，飛機作為點運動，運動學方程二、飛機的運動參數(shù)（續(xù)）速度向量與機體軸系的關系1、迎角

速度向量V在飛機對稱面上的投影與機體軸ox的夾角，以V的投影在ox軸之下為正

2、側滑角

速度向量V與飛機對稱面的夾角。

V處于對稱面之右時為正

產生空氣動力的主要因素對于飛控是重要的變量三、飛行器運動的自由度剛體飛機，空間運動，有6個自由度：質心x、y、z線運動（速度增減，升降，左右移動）繞質心的轉動角運動飛機有一個對稱面：縱向剖面，幾何對稱、質量對稱1.縱向運動速度V，高度H，俯仰角2.橫航向運動質心的側向移動，偏航角，滾轉角

縱向、橫航向內部各變量之間的氣動交聯(lián)較強縱向與橫航向之間的氣動交聯(lián)較弱，可以簡化分析四、飛機的操縱機構飛機：升降舵、方向舵、副翼及油門桿1.升降舵偏轉角e

后緣下偏為正，產生正升力，正e產生負俯仰力矩M

2.方向舵偏轉角r

方向舵后緣左偏為正，

正r產生負偏航力矩N

3.副翼偏轉角a

右副翼后緣下偏(左副翼隨同上偏)為正正a產生負滾轉力矩L四、飛機的操縱機構（續(xù)）駕駛桿

前推位移We為正(此時e亦為正，產生負的俯仰力矩，低頭)左傾位移Wa為正(此時a亦為正，產生負的滾轉力矩，左滾)腳蹬左腳蹬向前位移Wr為正（此時r亦為正，產生負的偏航力矩，左轉)

油門桿前推為正，加大油門，從而加大推力

反之為負，即收油門，減小推力

第三節(jié)、空氣動力與空氣動力系數(shù)

飛行中飛機表面承受著氣動壓力—空氣動力，分布的壓力可以看作一個合力、合力矩：力：升力Lift，L：飛機的垂直剖面內，垂直于速度V，向上為正升力作用點——焦點阻力D：在速度的反方向上，平行于氣流，向后為正側力Y：垂直于飛機的垂直剖面，向右為正力矩：機體軸系上定義由力產生，有力臂形成力矩俯仰力矩M：繞飛機oy軸的力矩偏航力矩N：繞飛機oz軸的力矩滾轉力矩L：繞飛機ox軸的力矩z空氣動力系數(shù)用無因次形式表示，有利于分析比較

升力系數(shù)：CL=L/QSw

，縱向系數(shù)

阻力系數(shù)：

CD=D/QSw

側力系數(shù)：

CY=Y/QSw

橫側向系數(shù)

滾轉力矩系數(shù)：

CL=LA/QSwb

俯仰力矩系數(shù)：

Cm=MA/QSwCA

偏航力矩系數(shù)：

Cn=NA/QSwb式中：

Q=1/2V2—動壓，Qs=牛頓（力），Sw—機翼參考面積，

b—

機翼展長，CA

—

機翼平均氣動弦長