《固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)》課件-課程教案8-第八章 機(jī)動(dòng)飛行性能 11-17

固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)教師年級(jí)授課時(shí)間教學(xué)內(nèi)容第八章機(jī)動(dòng)飛行性能授課類型現(xiàn)場(chǎng)講授學(xué)情分析教材分析教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能掌握飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和過(guò)載掌握飛機(jī)在水平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行性能掌握飛機(jī)在鉛垂平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行性能過(guò)程與方法1、講授法2、討論法3、直觀演示法4、讀書指導(dǎo)法5、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法6、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)法7、自主學(xué)習(xí)法教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和過(guò)載飛機(jī)在水平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行性能飛機(jī)在鉛垂平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行性能（平飛加速減速，垂直平面其他機(jī)動(dòng)飛行）教學(xué)難點(diǎn)1、飛機(jī)在水平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行性能2、飛機(jī)在鉛垂平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行性能（平飛加速減速，垂直平面其他機(jī)動(dòng)飛行）知識(shí)框架圖教學(xué)過(guò)程主備從備（教師姓名）[課堂引入]引入：這一部分首先讓大家對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)飛行性能有個(gè)整體了解，水平面，鉛垂平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行性能等等。[教學(xué)內(nèi)容]機(jī)動(dòng)飛行性能思考：飛機(jī)的機(jī)動(dòng)飛行性能主要有哪些指標(biāo)？從平面、空間和綜合等角度，飛機(jī)有哪些機(jī)動(dòng)動(dòng)作？8.1飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和過(guò)載飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能（Maneuverability），是指飛機(jī)在飛行過(guò)程中改變飛行速度、高度以及飛行方向的能力。飛機(jī)能在越短的時(shí)間間隔內(nèi)，根據(jù)飛行員的意愿和操縱，迅速改變飛行速度、高度和方向，飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性越好。根據(jù)要改變的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性可分為速度機(jī)動(dòng)性、高度機(jī)動(dòng)性和方向機(jī)動(dòng)性。它們分別表征飛機(jī)迅速改變飛行速度、高度和方向的能力。飛機(jī)的機(jī)動(dòng)飛行按其航跡的特點(diǎn)可分為水平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行，鉛垂面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行和空間的機(jī)動(dòng)飛行。在完成飛行任務(wù)，奪取空中作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的飛行中，飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性起著十分重要的作用，是軍用飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)的重要組成部分。飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性可以利用飛機(jī)在飛行中能產(chǎn)生的加速度來(lái)評(píng)定。如前所述，如飛機(jī)的質(zhì)量為m，加速度為a，外力為，則有 其中＝如果考慮到機(jī)動(dòng)飛行時(shí)間不長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的燃油質(zhì)量與飛機(jī)質(zhì)量相比可以忽略不計(jì)，重力矢量可以看成是一個(gè)常矢量，因此飛機(jī)加速度大小和方向的變化完全取決于發(fā)動(dòng)機(jī)推力T和空氣動(dòng)力R的合力的大小和方向。因此把上式寫成如果以重力加速度作為飛機(jī)質(zhì)心加速度的度量單位，則有＝（8-1）矢量n的大小是除重力以外，作用于飛機(jī)上的一切外力的合力與飛機(jī)重量之比，稱為飛機(jī)的過(guò)載。n的方向沿著發(fā)動(dòng)機(jī)推力和空氣動(dòng)力的合力的方向。飛行中飛行員就是通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)推力T或空氣動(dòng)力R的大小和方向，來(lái)改變過(guò)載矢量的大小和方向。因此可以利用過(guò)載矢量n來(lái)研究飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性。 （8-2）通常把nn叫做法向過(guò)載，而把nx.k叫做切向過(guò)載。切向過(guò)載又叫縱向過(guò)載。8.2飛機(jī)在水平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行性能飛機(jī)在水平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行是一種在高度保持不變情況下連續(xù)改變飛行方向的曲線運(yùn)動(dòng)。最常見的水平面內(nèi)機(jī)動(dòng)飛行是轉(zhuǎn)彎。連續(xù)轉(zhuǎn)彎航向變化等于360°的，叫盤旋。通常把坡度（即滾轉(zhuǎn)角）小于45°的盤旋稱為小坡度盤旋，坡度大于45°的盤旋稱為大坡度盤旋。速度、迎角、傾斜角和側(cè)滑角保持不變的盤旋叫定常盤旋，否則叫非定常盤旋。不帶側(cè)滑的盤旋叫做正常盤旋。下面著重介紹正常盤旋。如果α和φT不大，近似地認(rèn)為cos（α+φT）≈1，sin（α+φT）≈0，并且注意到在正常盤旋中，則正常盤旋運(yùn)動(dòng)方程可寫為（8-3）可以看出，飛機(jī)作正常盤旋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力T必須等于阻力，這樣才能保持盤旋飛行速度大小不變；升力的垂直分量Lcosμ，必須等于飛機(jī)的重量，以保持飛行高度不變；而升力的水平分量Lsinμ則起著水平曲線飛行向心力的作用（圖8-1）。注意到 =代入（8-3）的第三式，可以得到正常盤旋的半徑＝（8-4）飛機(jī)正常盤旋一周的時(shí)間應(yīng)為（8-5）給定飛行速度V和法向過(guò)載nn，根據(jù)（8-4）和（8-5）式可以方便地算得盤旋一周所需的時(shí)間和盤旋半徑。正常盤旋半徑和盤旋一周所需的時(shí)間是衡量飛機(jī)方向機(jī)動(dòng)能力的重要指標(biāo)。正常盤旋的盤旋半徑越小，盤旋一周所需的時(shí)間越短，飛機(jī)方向機(jī)動(dòng)性能越好。8.3飛機(jī)在鉛垂平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行性能飛機(jī)在鉛垂平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)飛行具有多種形式，典型的機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)作包括平飛加速和減速、躍升、俯沖和斤斗飛行。飛機(jī)在鉛垂平面內(nèi)飛行時(shí)，其航跡偏轉(zhuǎn)角和速度滾轉(zhuǎn)角應(yīng)始終保持為零。其運(yùn)動(dòng)方程有（8-6）和（8-7）加上運(yùn)動(dòng)學(xué)方程（8-8）以上就是鉛垂面內(nèi)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組。方程（8-6）為代數(shù)方程，由控制者操縱確定。當(dāng)駕駛桿和油門的操縱規(guī)律確定時(shí)，飛機(jī)的飛行迎角和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的變化規(guī)律也就確定了，因而發(fā)動(dòng)機(jī)推力、飛機(jī)升力和阻力為已知量，切向過(guò)載nx.k和法向過(guò)載nn也就給定了。這樣，只要給定初始條件，對(duì)微分方程（8-7）和（8-8）進(jìn)行數(shù)值積分，就可以計(jì)算出飛機(jī)在空間機(jī)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)V和γ，算出飛機(jī)的水平飛行距離xg和飛行高度zg。8.3.1平飛加速和減速性能飛機(jī)平飛加速和減速性能反映飛機(jī)改變速度大小的能力。飛機(jī)在平飛中增加或減小一定速度所需的時(shí)間越短，則飛機(jī)的速度機(jī)動(dòng)性越好。對(duì)于亞聲速飛機(jī)，通常計(jì)算由0.7Vmax至0.97Vmax的加速時(shí)間和由Vmax至0.7Vmax的減速時(shí)間作為衡量飛機(jī)速度機(jī)動(dòng)性的主要指標(biāo)；對(duì)于超聲速飛機(jī)，則一般計(jì)算其亞聲速常用Ma至最大使用Ma的加（減）速時(shí)間作為衡量其速度機(jī)動(dòng)性的主要指標(biāo)。飛機(jī)作水平直線飛行時(shí)，航跡傾角γ始終保持為零，即通常（α+φT）比較小，在工程計(jì)算中，可以近似地認(rèn)為cos（α+φT）≈1，sin（α+φT）≈0，方程可以寫為（8-9）可以看出，飛機(jī)平飛加速度完全取決于切向過(guò)載或剩余推力的大小和符號(hào)。當(dāng)nx.k>0，即剩余推力ΔT>0時(shí)，飛機(jī)作加速飛行；當(dāng)nx.k<0，即剩余推力時(shí)ΔT<0時(shí)，飛機(jī)作減速飛行。顯然，提高飛機(jī)的升阻比和推重比對(duì)提高飛機(jī)的加速性將起決定性的作用。為使飛機(jī)平飛加速，飛行員應(yīng)將發(fā)動(dòng)機(jī)油門加至最大。由方程（8-9）可得，將飛機(jī)由給定的初始速度V0平飛加速到終止速度Vf所需的時(shí)間應(yīng)為（8-10）注意到dt時(shí)間間隔飛機(jī)通過(guò)的水平距離為在tf時(shí)間內(nèi)飛機(jī)飛過(guò)的距離應(yīng)為（8-11）8.3.2垂直平面內(nèi)其它機(jī)動(dòng)飛行簡(jiǎn)介躍升是飛機(jī)以動(dòng)能換取勢(shì)能，迅速增加飛行高度的機(jī)動(dòng)飛行，也稱急躍升。在作戰(zhàn)使用中，利用這種機(jī)動(dòng)，可以迅速取得高度，占取有利的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)、追擊高空目標(biāo)或規(guī)避敵機(jī)火力。躍升性能的好壞由躍升所增加的高度ΔH和完成躍升所需要的時(shí)間來(lái)衡量。在給定初始高度和速度的情況下，飛機(jī)通過(guò)躍升所能獲得高度增加量ΔH越大，完成躍升所需的時(shí)間越短，則躍升性能越好（圖8-2）。躍升飛行航跡一般可以分進(jìn)入段、直線上升段和改出段。作為鉛垂面內(nèi)的機(jī)動(dòng)，躍升飛行應(yīng)按方程（8-6）、（8-7）和（8-8）求解計(jì)算。為了使飛機(jī)能夠在保持足夠飛行速度的條件下，盡快地上升到較高的高度，在整個(gè)躍升飛行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)通常應(yīng)保持在加力狀態(tài)或最大狀態(tài)；躍升進(jìn)入段的過(guò)載nz.k應(yīng)根據(jù)躍升進(jìn)入的高度、速度和躍升角θ適當(dāng)選取，但不得超過(guò)對(duì)應(yīng)高度、速度下所允許的最大過(guò)載。所謂躍升角就是躍升直線段的航跡傾斜角。在直線段，dγ/dt＝0，由（8-6）式中第二式可知，直線段的法向過(guò)載應(yīng)為直線段結(jié)束時(shí)推駕駛桿減小飛行迎角，減小航跡傾斜角直至γ＝0時(shí)結(jié)束躍升飛行。＜1俯沖是飛機(jī)用位能換取動(dòng)能，迅速降低高度而增加速度的機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)作。利用俯沖可以追擊敵機(jī)或攻擊地面目標(biāo)。俯沖按航跡變化也可以分為三部分：俯沖進(jìn)入段、俯沖直線段和俯沖改出段（圖8-2）。為使飛機(jī)從給定的飛行高度和速度進(jìn)入俯沖，飛行員必須推桿減小迎角，使升力L小于重力的升力方向分量Gcosγ，從而使飛機(jī)航跡向下彎曲。當(dāng)飛行航跡角減小到予定的俯沖角度時(shí)，飛機(jī)進(jìn)入直線度，此時(shí)nz.h＝cosγ。飛機(jī)直線俯沖降低高度到予定值時(shí)，飛行員可以通過(guò)拉桿增大迎角，使升力Y大于Gcosγ，從而使飛機(jī)航跡向上彎曲，以改出俯沖，并在航跡傾角接近零度時(shí)推桿，減小迎角，使飛機(jī)轉(zhuǎn)入水平飛行。筋斗（同斤斗）是飛機(jī)在鉛垂平面內(nèi)作軌跡近似橢圓、航跡方向改變360°的機(jī)動(dòng)飛行（圖8-2）。筋斗大致由躍升、倒飛、俯沖等基本動(dòng)作組成，是駕駛員基本訓(xùn)練的科目之一，也是用來(lái)衡量飛機(jī)機(jī)動(dòng)性的一種指標(biāo)。完成—個(gè)筋斗所需的時(shí)間越短，能做筋斗的起始高度越高，機(jī)動(dòng)性越好。飛機(jī)完成筋斗機(jī)動(dòng)，必須有向心力。向心力靠飛機(jī)升力產(chǎn)生。做筋斗機(jī)動(dòng)時(shí)，駕駛員首先加大油門使飛機(jī)盡可能地加大速度，同時(shí)拉操縱桿增加飛機(jī)迎角，使飛機(jī)向上躍升，達(dá)到筋斗頂點(diǎn)，進(jìn)入倒飛狀態(tài)，之后向下轉(zhuǎn)入俯沖，最后拉操縱桿轉(zhuǎn)入平飛，完成整個(gè)筋斗機(jī)