飞行力学与飞行控制讲稿-1要点课件.ppt

1、2022-5-301艾剑良教授2022-5-302飞行器飞行器在大气层内或大气外层外空间（太空）飞行的器械大气飞行环境大气飞行环境对流层对流层（低纬度地区16-18km；中纬度地区10-12km；高纬度地区8-9km) (气候现象复杂）平流层（同温层）平流层（同温层）位于对流层之上，顶界伸展到约50-55km（气流平稳，空气稀薄，阻力小，操稳性差）2022-5-303从平流层顶延伸到大约80km（空气有相当激烈的垂直运动）热层热层 从层顶延伸到大约800km（空气非常稀薄，电离层影响飞行器的无线电通讯）逃逸层（外大气层）逃逸层（外大气层） 热层以上（空气极其稀薄，地球引力很小，航天器脱离此层后

2、便进入太空飞行）2022-5-3042022-5-305飞机的分类：飞机的分类：有人驾驶飞机、无人驾驶飞机有人驾驶飞机：有人驾驶飞机：歼击机（战斗机）、截击机、歼击轰炸机、强击机（攻击机）、轰炸机、反潜机、侦察机、预警机、电子干扰机、军用运输机、空中加油机、舰载飞机等；旅客机、货机、公务机、农业机、体育运动机、救护机等2022-5-306最大尺寸微型飞行器最大尺寸微型飞行器英国的英国的“Sender”无人机无人机微型飞行器和小尺寸无人机的尺寸对比微型飞行器和小尺寸无人机的尺寸对比2022-5-307“黑寡妇黑寡妇”微型飞机微型飞机“微星微星”微型微型飞机飞机2022-5-308加州理工大学的加

3、州理工大学的“微型蝙蝠微型蝙蝠”微型扑翼飞机微型扑翼飞机美国加州大学：扑翼机（翼展美国加州大学：扑翼机（翼展200mm，总重总重11.5克，微型电克，微型电机驱动机驱动2022-5-309美国洛克尼克的美国洛克尼克的“克里扑里克里扑里”微型旋翼飞行器微型旋翼飞行器该微型旋翼飞行器基本尺寸为10cm，重316g，其中发动机为微型柴油发动机，重37g，燃油重132g。 上部装旋翼，下部装照相机，采用GPS自动驾驶，留空时间30min。可携带大约100g的设备。德国研制出了长24mm，高8mm，重400mg的双旋翼飞行器。该机采用两个直径为2mm的微型电机。通过外接电源和比头发丝细得多的长导线，使位

4、于电动机轴端的旋翼方向旋转。该微型飞行器可在一颗花生米大小的地方起飞2022-5-30102022-5-30112022-5-30122022-5-30132022-5-30142022-5-3015常用坐标体系（全部为右手直角坐标系）常用坐标体系（全部为右手直角坐标系）：地面坐标系是相对地球表面固定不动的，它的原点A 位于地面的任意选定的某固定点，而Axd 轴位于地平面内并选定的任一指定的方向，Ayd轴铅垂向上，Azd位于水平面内,地轴系常用在表示飞机在空间的位置和飞行轨迹。2022-5-3016：2022-5-3017图图2-12022-5-3018气流坐标轴系气流坐标轴系 OxOxq q

5、y yq qz zq q ：气流坐标轴系又称速度坐标系或风轴系。其原点位于飞机的重心，而Oxq轴始终指向飞行速度方向，Oyq轴位于飞机对称面内垂直与Oxq轴，向上为正，Ozq轴垂直与Oxqyq平面，向右为正。气动力三个分量即(升力Y，阻力Q和侧力Z)就是在该轴系中定义的，其中阻力沿Oxq轴负向， 2022-5-3019半机体坐标系半机体坐标系OxOxb by yb bz zb b ：O在质心, Oxb沿飞行速度矢量V V在飞机对称平面投影方向，Oyb在对称平面内，垂直于Oxb向上（因而与Oyq重合），Ozb垂直于飞机对称平面（与轴Ozt重合）。2022-5-3020图图2-22022-5-30

6、21航迹坐标系航迹坐标系OxOxh hy yh hz zh h ：O在质心，Oxh与Oxq一致，Oyh在包含飞行速度矢量V V的铅垂面内，指向上，Ozh垂直于Oxhyh（因而使水平的），指向右。 2022-5-3022图图2-32022-5-3023稳定性坐标系稳定性坐标系 OxOxW Wy yW Wz zW W: :原点O在飞机质心处，OxOxW W沿基准运动速度V V0 0矢量在飞机对称平面投影方向， OyOyW W在飞机对称面内并垂直于OxOxW W指向上， OzOzW W垂直于飞机对称平面指向右(因而与Ozt轴与重合）。由于在扰动运动中次轴系固连与飞机，因此它与机体坐标轴具有相同的性质

7、。不过这两种轴系之间相差一个基准运动状态的迎角a a0 0 。2022-5-3024飞机运动参数定义飞机运动参数定义飞机的空间位置：飞机的空间位置：用飞机质心在地轴系中的坐标Xd，Yd，Zd来确定，其中，Yd与飞行高度H仅差一个定值，因此用Yd来表示H。2022-5-3025飞机在空间的姿态飞机在空间的姿态2022-5-3026速度矢量相对于机体的方位速度矢量相对于机体的方位迎角迎角飞机速度矢量飞机速度矢量v v在飞机对称面上的在飞机对称面上的投影线与机体轴投影线与机体轴OXOXt t之间的夹角。当投影线之间的夹角。当投影线在机体纵轴的下方时为正。在机体纵轴的下方时为正。侧滑角侧滑角飞机速度矢

8、量飞机速度矢量v v与飞机对称面之与飞机对称面之间的夹角。当速度矢量偏向对称面右时为间的夹角。当速度矢量偏向对称面右时为正正 2022-5-3027速度矢量相对于地面的方位速度矢量相对于地面的方位2022-5-3028坐标转换的一般方法坐标转换的一般方法 Va Vb zayaxaVVVzbybxbVVV由两坐标轴系间的几何关系可知： V Vb b= =L LbabaV Va a 式中2022-5-3029），（），（），（），（），（），（），（），（），（abababababababababzzcosyzcosxzcoszycosyycosxycoszxcosyxcosxxcosbaL202

9、2-5-3030常用坐标体系间的变换矩阵常用坐标体系间的变换矩阵coscossinsinsincossinsincoscossinsincossinsinsincoscoscossinsincossincossincossincoscosLtdssssqhLcossin0sincos0001ssssssssssssssssssssqdLsinsinsincoscoscossinsincoscossinsincossinsinsincoscoscoscossincossinsincossinsincoscoscos0sinsinsincoscossinsincossincoscosLtqssss

10、sscos0sinsinsincoscossinsincossincoscoshdL2022-5-3031二、在动坐标系中质点的速度和加速度二、在动坐标系中质点的速度和加速度rVrVV0在在旋转体上某一点P的速度V为角速度矢量和矢径r叉积，即 , 如图中旋转轴上的O点线速度为V0，则P点的合速度为2022-5-3032矢矢量导数dA/dt是矢量端点的速度2022-5-3033旋旋转转坐标轴上的矢量A的导数dtdkAdtdjAdtdiAdtAdkdtAdjdtAdiAkAjAidtddtdAzyxzyxzyx)(2022-5-3034如果坐标轴不旋转，显然后三项为零。如果坐标轴的角速度为，则有

11、idtdijdtdjkdtdkAdtAdtdAdtdkdtdjdtdidtAAAAzyx 式中2022-5-3035动动坐标系中质点的速度和加速度坐标系中质点的速度和加速度设一动坐标系设一动坐标系Oxyz，其原点其原点O的速度为的速度为 ，而坐标系绕质心以角速度而坐标系绕质心以角速度旋转，有设有相对此坐标系位置为固定的（这符合飞机为刚体的假设）某质点，其坐标位置为V0kzjyixrrVV0质点dm的合速度为xyVVzxVVyzVVyxzxzyzyxzyX000此合速度在三个此合速度在三个坐标轴的分量为坐标轴的分量为2022-5-3036质点dm的合速度对时间求导数得dm的合加速度： dtdrr

12、dtddtVddtdVa0由于质点dm相对于动坐标系的位置不变，即矢径r的大小不变，而仅改变其空间位置，所以dtdrrrrrdtdVtVa200)(经过矢量运算可得 2022-5-3037合加速度在动坐标轴的分量为合加速度在动坐标轴的分量为zdtdydtdxVVdtdVyzxzyxzyzyyzxx)()()(22000 xdtdzdtdyyVVdtdVzyxxzzxxzzxyy)()()(22000ydtdxdtdzVVdtdVxyzyxzyxyxxyzz)()()(220002022-5-30382022-5-3039xVyVzVyzxmFVVVmFVVVmFVVVzxyyxzyzxxzyx

13、yzzyx.2022-5-3040动量矩定理h为质点系对所选择点的动量矩，M为对所选择点的合外力矩。（选择点在此为质心，即动坐标原点O） Mdtdh)(Vrdmh2022-5-3041)()()(VyVxdmhVxVzdmhVzVydmhxyzzxyyzx利用动坐标系中质点的速度，并考虑到利用动坐标系中质点的速度，并考虑到mdmzdmydmxdm0IxzdmIyzdmIxydmIyxdmIzxdmIzydmxzyzxyzyx)()()(222222可得zyzyxzzzxzyzxxyyyyzxzyxyxxxIIIhIIIhIIIh2022-5-3042动量矩（力矩）方程可写为hdthdtdh式中

14、dthdkdthdjdthdidthzyxMhhdthdMhhdthdMhhdthdzyyxxyzyxzzxyxzyyzx2022-5-3043zxyxyxyxyzzyxyzxyzxzxyyxyxzxyzyyzxxMIIIdtdIMdtdIIIdtdIMdtdIIIdtdI)()()()()()(220IIzxyz力矩方程可简化为力矩方程可简化为2022-5-3044cossinsincos(cos1)sincos(.zyzyzyxtg2022-5-3045质心相对地轴系各轴的速度为 dtzddtyddtxdddd,则有dtddtddtdzyxddd= dtLVVVzyx2022-5-3046

15、航迹坐标系下的力的方程航迹坐标系下的力的方程航迹坐标系的旋转角速度在航迹坐标系的分量可表示为： dtddtddtddtddtdLzyxssshdhhhcossin00002022-5-3047发动机推力在体轴上的分量0sincosppPPPPPzyxttt2022-5-3048空气动力R（对应的升力Y，阻力Q和侧力Z）在气流坐标系定义：ZQYRRRzyxqqq重力G在地面坐标系的分量为：00mgGGGzyxddd2022-5-3049合外力F转换成航迹坐标系后，得：000sincosmgZQYPPLLLFFFhdhqpphtzyxhhh2022-5-3050飞机质心速度矢量在航迹坐标系的分量为

16、：航迹坐标系下的力的方程为航迹坐标系下的力的方程为00VVVVzyxhhhssspspsssspsppZYPdtdmVmgZYPdtdmVmgQPdtdVmcossinsin)sin(cossin)cos(coscossincoscos)sin(sinsin)cos(sincos)cos(2022-5-3051质心运动方程质心运动方程00LdhVzyxdtddtddtddddsdVdtxdcoscossinVdtyddsdVdtdzsincos2022-5-3052在铅垂平面内飞行：在铅垂平面内飞行：飞机对称面和铅垂平面重合，飞行速度矢量始终在铅垂面内。（机动性能：筋斗，跃升，俯冲等）cos)

17、sin(sin)cos(00, 0, 0mgYPdtdmVmgQPdtdVmdtdppss，2022-5-305300dtddtdVcos)sin(sin)cos(mgYPmgQPpp如果 、 和 较小而且 不大的情况下，有pGPmgYmgQPsin当飞机作水平直线飞行（定直平飞）时0mgYQP在基本飞行性能计算和续航性能计算中经常用此公式2022-5-3054cosVdtxdd0ssinVdtdHdtydd2022-5-3055ssspspsssspsppZYPdtdmVmgZYPQPdtdVmdtdcossinsin)sin(cossin)cos(cossincoscos)sin(sinsin)cos(cos)cos(0, 0用于研究飞机在水平平面内的机动飞行性能，如水平转弯、盘旋等2022-5-3056spssppYPdtdmVmgYPQPdtdVmZsin)sin(cos)sin()cos(0, 0spssppYPdtdmVmgYPQPdtdVZsin)sin(cos)sin()cos(0, 0, 02022-5-3057如果 、 不大而且 也不大的情况下，有pGPsssYdtdmVmgYQPsincos在讨论飞机的正常盘旋飞行时经常利用上式