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2023/8/91飛機(jī)飛行力學(xué)與飛行控制艾劍良教授2023/8/41

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(duì)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(duì)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）2023/8/92

第一章緒論

一、飛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(dòng)）

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(wú)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）2023/8/93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)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(dòng)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(cè)器、航天飛機(jī)等（運(yùn)載火箭推動(dòng)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(dòng)，姿態(tài)控制利用發(fā)動(dòng)機(jī)）；

火箭：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，可在大氣層內(nèi)或外，一次性使用；

2023/8/94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?。?，一次性使用；（航空發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力）

飛機(jī)的分類：有人駕駛飛機(jī)、無(wú)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(dòng)機(jī)、救護(hù)機(jī)等2023/8/95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、巡無(wú)人駕駛飛機(jī)：無(wú)人飛機(jī)和微型無(wú)人飛機(jī)

最大尺寸微型飛行器英國(guó)的“Sender”無(wú)人機(jī)微型飛行器和小尺寸無(wú)人機(jī)的尺寸對(duì)比2023/8/96無(wú)人駕駛飛機(jī)：無(wú)人飛機(jī)和微型無(wú)人飛機(jī)

最大尺寸微型飛行器英國(guó)“黑寡婦”微型飛機(jī)“微星”微型飛機(jī)2023/8/97“黑寡婦”微型飛機(jī)“微星”微型飛機(jī)2023/8/47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(guó)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(dòng)2023/8/98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”美國(guó)美國(guó)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(dòng)機(jī)為微型柴油發(fā)動(dòng)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(dòng)駕駛，留空時(shí)間30min?？蓴y帶大約100g的設(shè)備。德國(guó)研制出了長(zhǎng)24mm，高8mm，重400mg的雙旋翼飛行器。該機(jī)采用兩個(gè)直徑為2mm的微型電機(jī)。通過(guò)外接電源和比頭發(fā)絲細(xì)得多的長(zhǎng)導(dǎo)線，使位于電動(dòng)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2023/8/99美國(guó)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2023/8/9102023/8/410二、課程的任務(wù)

研究對(duì)象：有人駕駛飛機(jī)

研究?jī)?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(dòng)規(guī)律。確定飛機(jī)的基本飛行性能、續(xù)航性能、機(jī)動(dòng)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(dòng)或操縱作用下飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，包括如何實(shí)現(xiàn)各種平衡飛行、平衡飛行狀態(tài)受外界擾動(dòng)后所呈現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及飛機(jī)對(duì)于操縱的響應(yīng)等2023/8/911二、課程的任務(wù)

研究對(duì)象：有人駕駛飛機(jī)

研究?jī)?nèi)容：飛機(jī)飛行性三、飛機(jī)的主要組成部分及其功能

2023/8/912三、飛機(jī)的主要組成部分及其功能

2023/8/412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(shí)通常采用全動(dòng)水平尾翼（差動(dòng)）；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）

2023/8/913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；操縱系統(tǒng)：

動(dòng)力裝置：

機(jī)載設(shè)備：2023/8/914操縱系統(tǒng)：

動(dòng)力裝置：

機(jī)載設(shè)備：2023/8/414第二章飛機(jī)的一般運(yùn)動(dòng)方程

一、常用坐標(biāo)體系、飛機(jī)運(yùn)動(dòng)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(duì)地球表面固定不動(dòng)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。2023/8/915第二章飛機(jī)的一般運(yùn)動(dòng)方程

一、常用坐標(biāo)體系、飛機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)定機(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(dòng)的一種動(dòng)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(dòng)力弦線或機(jī)身軸平行，指向機(jī)頭的方向?yàn)檎琌yt軸位于飛機(jī)的對(duì)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(duì)稱面，向右為正

氣動(dòng)力矩的三個(gè)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。

2023/8/916機(jī)體坐標(biāo)軸系Oxtytzt：機(jī)體坐標(biāo)軸系是固連與飛機(jī)并隨飛圖2-12023/8/917圖2-12023/8/417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(duì)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(dòng)力三個(gè)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，2023/8/918氣流坐標(biāo)軸系Oxqyqzq：氣流坐標(biāo)軸系又稱速度坐標(biāo)系或半機(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(duì)稱平面投影方向，Oyb在對(duì)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(duì)稱平面（與軸Ozt重合）。2023/8/919半機(jī)體坐標(biāo)系Oxbybzb：O在質(zhì)心,Oxb沿飛行速度矢圖2-22023/8/920圖2-22023/8/420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。2023/8/921航跡坐標(biāo)系Oxhyhzh：O在質(zhì)心，Oxh與Oxq一致，O圖2-32023/8/922圖2-32023/8/422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(dòng)速度V0矢量在飛機(jī)對(duì)稱平面投影方向，OyW在飛機(jī)對(duì)稱面內(nèi)并垂直于OxW指向上，OzW垂直于飛機(jī)對(duì)稱平面指向右(因而與Ozt軸與重合）。由于在擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(guò)這兩種軸系之間相差一個(gè)基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的迎角a0。2023/8/923穩(wěn)定性坐標(biāo)系OxWyWzW:原點(diǎn)O在飛機(jī)質(zhì)心處，OxW沿基飛機(jī)運(yùn)動(dòng)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(lái)確定，其中，Yd與飛行高度H僅差一個(gè)定值，因此用Yd來(lái)表示H。2023/8/924飛機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)定義2023/8/424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(shí)，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(duì)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(duì)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)2023/8/925俯仰角—飛機(jī)縱軸Oxt與水平面Axdzd間夾角。當(dāng)Ox速度矢量相對(duì)于機(jī)體的方位

迎角α—飛機(jī)速度矢量v在飛機(jī)對(duì)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(shí)為正。

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

2023/8/926速度矢量相對(duì)于機(jī)體的方位

迎角α—飛機(jī)速度矢量v在飛機(jī)對(duì)稱速度矢量相對(duì)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(shí)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）2023/8/927速度矢量相對(duì)于地面的方位

航跡傾斜角θ—飛行速度矢量V與水坐標(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2023/8/928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Oxa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；2023/8/929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)軸常用坐標(biāo)體系間的變換矩陣2023/8/930常用坐標(biāo)體系間的變換矩陣2023/8/430二、在動(dòng)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2023/8/931二、在動(dòng)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矢量導(dǎo)數(shù)dA/dt是矢量端點(diǎn)的速度2023/8/932矢量導(dǎo)數(shù)dA/dt是矢量端點(diǎn)的速度2023/8/432旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸上的矢量A的導(dǎo)數(shù)2023/8/933旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸上的矢量A的導(dǎo)數(shù)2023/8/433如果坐標(biāo)軸不旋轉(zhuǎn)，顯然后三項(xiàng)為零。如果坐標(biāo)軸的角速度為ω，則有

式中2023/8/934如果坐標(biāo)軸不旋轉(zhuǎn)，顯然后三項(xiàng)為零。如果坐標(biāo)軸的角速度為ω，則動(dòng)坐標(biāo)系中質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度設(shè)一動(dòng)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(duì)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(gè)坐標(biāo)軸的分量為2023/8/935動(dòng)坐標(biāo)系中質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度質(zhì)點(diǎn)dm的合速度為此合速度在三個(gè)質(zhì)點(diǎn)dm的合速度對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)得dm的合加速度：

由于質(zhì)點(diǎn)dm相對(duì)于動(dòng)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(guò)矢量運(yùn)算可得2023/8/936質(zhì)點(diǎn)dm的合速度對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)得dm的合加速度：由于質(zhì)點(diǎn)dm合加速度在動(dòng)坐標(biāo)軸的分量為2023/8/937合加速度在動(dòng)坐標(biāo)軸的分量為2023/8/437二、飛機(jī)的一般運(yùn)動(dòng)方程

主要簡(jiǎn)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(dòng)與地球質(zhì)心的曲線運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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。

2023/8/938二、飛機(jī)的一般運(yùn)動(dòng)方程

主要簡(jiǎn)化假定

⑴把地軸系視作慣對(duì)任意活動(dòng)坐標(biāo)系的飛機(jī)質(zhì)心剛體動(dòng)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(dòng)坐標(biāo)系（廣義體軸系）Oxyz。設(shè)

分別為質(zhì)心沿動(dòng)坐標(biāo)系的速度分量；

分別為飛機(jī)角速度在動(dòng)坐標(biāo)系的分量，有力方程（x=y=z=0）2023/8/939對(duì)任意活動(dòng)坐標(biāo)系的飛機(jī)質(zhì)心剛體動(dòng)力學(xué)方程

選擇原點(diǎn)O和飛機(jī)動(dòng)量矩定理h為質(zhì)點(diǎn)系對(duì)所選擇點(diǎn)的動(dòng)量矩，M為對(duì)所選擇點(diǎn)的合外力矩。（選擇點(diǎn)在此為質(zhì)心，即動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)O）2023/8/940動(dòng)量矩定理2023/8/440利用動(dòng)坐標(biāo)系中質(zhì)點(diǎn)的速度，并考慮到可得2023/8/941利用動(dòng)坐標(biāo)系中質(zhì)點(diǎn)的速度，并考慮到可得2023/8/441矢量導(dǎo)數(shù)：動(dòng)量矩（力矩）方程可寫為式中2023/8/942矢量導(dǎo)數(shù)：動(dòng)量矩（力矩）方程可寫為式中2023/8/442如果動(dòng)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(jiǎn)化為2023/8/943如果動(dòng)坐標(biāo)系選為體軸，考慮到飛機(jī)具有縱向?qū)ΨQ面，則有力矩方程飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

飛機(jī)姿態(tài)方程2023/8/944飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

飛機(jī)姿態(tài)方程2023/8/444

質(zhì)心位置方程質(zhì)心相對(duì)地軸系各軸的速度為

則有=

2023/8/945

質(zhì)心位置方程質(zhì)心相對(duì)地軸系各軸的速度為則有=2023/三、飛行性能及機(jī)動(dòng)性計(jì)算時(shí)所常用的力的方程、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程及其簡(jiǎn)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：2023/8/946三、飛行性能及機(jī)動(dòng)性計(jì)算時(shí)所常用的力的方程、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程及其發(fā)動(dòng)機(jī)推力在體軸上的分量

2023/8/947發(fā)動(dòng)機(jī)推力在體軸上的分量2023/8/447空氣動(dòng)力R（對(duì)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：2023/8/948空氣動(dòng)力R（對(duì)應(yīng)的升力Y，阻力Q和側(cè)力Z）在氣流坐標(biāo)系定義：合外力F轉(zhuǎn)換成航跡坐標(biāo)系后，得：

2023/8/94