2015，3第一章飞行动力学空气动力学与飞行力学初步知识北京航空航天大学自动化学院引言⏹飞行控制系统飞行器++控制系统 闭合回路系统飞行器⏹飞行器空气中的运动体，一个复杂的被控对象，要想控制它，需要了解气流特性与飞行器在气流中飞行时的特性⏹飞行力学：研究飞行器在大气中飞行时的受力与运动规律，建立飞行器动力学方程(需要空气动力学的基础知识)⏹空气动力学特性，飞行器设计的理论基础研究空气的流体研究空气的流体特性，飞行器设计的理论基础本节课内容⏹第一节空气动力学的基本知识⏹第二节飞行器运动参数与操纵机构⏹第三节空气动力与气动系数⏹参考文献：飞行控制系统，张明廉著（电子扫描版）第一节空气动力学的基本知识一、流场⏹流场的流场的定义定义可流动的介质（水，油，气等）称为流体，流体所占据的空间称为流场。
⏹流场的描述流体流动的流体流动的速度速度、、加速度加速度以及流体状态参数（以及流体状态参数（密度密度p p 、压强p 、温度、温度T T 等）—几何位置与时间的连续函数所研究的气流速度、加速度、密度、压强、温度等物理量，是统计意义上的气体分子群参数，而不是单个分子行为的描述。
流体微团流体微团::描述流场中某点的流速和状态参数时描述流场中某点的流速和状态参数时,,是指以该点为中心的一个很小邻域中的分子群。
空气分子间的自由行程与飞行器相比较太小，可忽略一、流场（续）（1）流线：流体微团流动形成的轨线特性：流线不相交、流体微团不穿越流线（2）流管：多条流线围多条流线围成管状，成管状，管内流体不会流出，管外流体也不会流入（3）定常流（定型流场）：流场中各点的速度、加速度以及状态参数等只是几何位置的函数，与时间无关空气动力学中的大部分问题是定常流问题（简化）（4）流动的相对性物体静止，空气流动物体运动，空气静止相对速度相同时，流场中空气动力相同在流管上取垂直于流管中心线上流速方向的两个截面，截面I截面空气流动是连续的，处处没有空隙三、伯努利方程在定型流场中取一流管，任意截取相邻dS相邻pA压力：压力：pA三、伯努利方程（续）根据牛顿第二定律三、伯努利方程（续）马赫数(⏹马赫数五、弱扰动的传播⏹飞机在大气中飞行—扰动源⏹扰动源以速度扰动源以速度V V 在静止空气中运动，相当于扰动源静止而空气以速度气以速度V V 流动1）扰动源扰动源V=0V=0，扰动以音速传播（图，扰动以音速传播（图a a ）球面波，向四周传播2）V<V<a,M a,M<1<1,前方空气受扰，球面波球面波，，向后方传播扰动源前方仍有少量传播变化不大（图变化不大（图b b ）3）扰动源与扰动波同时到达，1临界马赫数临界马赫数M M⏹临界临界马赫数马赫数Mcr Mcr翼面上最大速度处的流速=当地音速a时，远前方远前方的迎面气流速度的迎面气流速度V V ∝与远前方空气的音速前方空气的音速a a∝之比Mcr Mcr--每种机翼的特征参数⏹迎面气流的迎面气流的M M 数超过数超过Mcr Mcr时，翼面上出现局部的超音速区，时，翼面上出现局部的超音速区，将产生局部激波，⏹飞行速度定义⏹M<0.5M<0.5时为低速飞行；时为低速飞行；⏹0.5<M<0.5<M<Mcr Mcr为亚音速为亚音速飞行飞行;;⏹Mcr Mcr<M<1.5<M<1.5为跨音速飞行为跨音速飞行; ; ⏹1.5<M<51.5<M<5，为，为超音速飞行，超音速飞行，⏹M>5M>5为高超音速飞行为高超音速飞行六、激波⏹气流以超音速流经物体时，流场中的受扰区情况与物体的形状有关，超音速—强扰动，产生强扰动，产生激波激波⏹激波实际上就是气流各参数的不连续气流各参数的不连续分界面分界面在激波之前，气流不受扰动，气流速度的大小和方向不变，各状态参数也是常数；气流通过激波，其流速突然变小，温度、压强、密度等也突然升高⏹钝头物体的激波是脱体波（正激波），超音速气流瞬间变成亚音速，产生大波阻⏹楔形物体的激波是倾斜的（附体波）气流仍为超音速，或亚音速（与半顶角 相关相关））波阻较小，用于超音速飞机的机头马赫数表示空气受压缩的程度在伯努利公式推导中可压缩性时，流管截面积增大为正))的情时，流管截面积增大((dA dA为正变小或增大,,与M数有关变小或增大的，叫膨胀波常用的空气动力学的基本概念⏹飞机与气流的相对作用⏹马赫数M 与空速与空速V V 、音速、音速a a 的关系⏹亚音速与超音速概念⏹动压：1/2 V 2，评价飞行速度与压力的指标⏹超音速下的激波、膨胀波⏹伯努利方程方程: : 气流的静态方程气流的静态方程((亚音速飞行亚音速飞行))第一节一、坐标系：}2.2.机体坐标系（体轴系）原点o原点3.3.速度坐标系（气流轴系）a a a 原点o原点二、飞机的运动参数姿态角：机体轴系与地轴系的关系1.1.俯仰角俯仰角θ机体轴ox 与地平面间的夹角抬头为正2.2.偏航角偏航角ψ机体轴机体轴ox ox在地面上的投影与在地面上的投影与地轴地轴o o g x g 间的夹角机头右偏航为正3.3.滚转角滚转角φ（倾斜角）机体轴机体轴oz oz与包含机体轴与包含机体轴ox ox的的铅垂面间的夹角，飞机向右倾斜时为正统称欧拉角二、飞机的运动参数（续）航迹角：速度轴系与地面轴系的关系将飞机看成质点，不关心飞机的姿态1.1.航迹倾斜角航迹倾斜角γ飞行速度飞行速度V V 与地平面间的夹角以飞机向上飞时的γ为正2.2.航迹方位角航迹方位角χ飞行速度飞行速度V V 在地平面上的投影与o g x g 间的夹角速度在地面的投影在o g x g 之右时为正3.3.航迹滚转角航迹滚转角μ速度轴oz a 与包含速度轴ox a 的铅垂面间的夹角，以飞机右倾斜为正制导、导航中常用，飞机作为质点运动包含速度轴ox a 的铅垂面速度在地平面上的投影二、飞机的运动参数（续）速度向量与机体轴系的关系1、迎角α速度向量V在飞机对称面上的投影与机体轴ox的夹角，以V的投影在ox轴之下为正2、侧滑角β速度向量V与飞机对称面的夹角。
V处于对称面之右时为正产生空气动力的主要因素对于飞控是重要的变量三、飞行器运动的自由度⏹刚体飞机，空间运动，有刚体飞机，空间运动，有66个自由度：质心质心x x 、y 、z 线运动（速度增减，升降，左右侧向移动）绕机体三轴的转动角运动（欧拉角）⏹飞机有一个对称面：纵向剖面，几何对称、质量对称1.1.纵向运动纵向运动速度速度V V ，高度，高度H H ，俯仰角2.2.横航向运动横航向运动质心的侧向移动，偏航角，滚转角纵向、横航向内部各变量之间的气动交联较强纵向与横航向之间的气动交联较弱，可以简化分析⏹飞机飞机——面对称，导弹面对称，导弹——轴对称四、飞机的操纵机构飞机：升降舵、方向舵、副翼及油门杆（导弹：摆动发动机喷管，小舵面）1.1.升降舵偏转角升降舵偏转角δe后缘下偏为正，产生正升力，正δe 产生负俯仰力矩产生负俯仰力矩M M2.2.方向舵偏转角方向舵偏转角δr方向舵后缘左偏为正，正δr 产生负偏航力矩产生负偏航力矩N N3.副翼偏转角δa右副翼后缘下偏(左副翼随同上偏左副翼随同上偏))为正正δa 产生负滚转力矩产生负滚转力矩L L四、飞机的操纵机构（续）⏹驾驶杆为正((此时δe亦为正，产生负的俯仰力矩，低头亦为正，产生负的俯仰力矩，低头))前推位移WeWe为正前推位移亦为正，产生负的滚转力矩，左滚)) 为正((此时δa亦为正，产生负的滚转力矩，左滚Wa为正左倾位移左倾位移Wa⏹脚蹬为正（此时δr亦为正，产生负的偏航力矩，Wr为正（此时左脚蹬向前位移左脚蹬向前位移Wr左转))左转⏹油门杆前推为正，加大油门，从而加大推力反之为负，即收油门，减小推力五、稳定性与操纵性稳定性):无输入自由运动无输入自由运动未扰运动):基准运动((未扰运动1.1.基准运动扰动运动::受到外干扰而偏离基准运动的运动2.2.扰动运动外界干扰：大气扰动，发动机推力改变，驾驶员操3.外界干扰：3.纵等稳定性：受扰后可以回到某一基准状态，不发散4.4.稳定性：：外干扰停止时，具有回到基准状态静稳定性：（1）静稳定性的趋势：外干扰停止，可以回到基准状态动稳定性：（2）动稳定性静稳定→不一定动稳定；静不稳定→动不稳定五、稳定性与操纵性（续）⏹操纵性⏹是否易于操纵，⏹操纵力是否适度，⏹飞机对操纵响应的快慢等。
⏹由驾驶员判定。
⏹飞机稳定性和操纵性的好坏，完全取决于飞机的气动特性和结构参数((如重量、转动惯量等）气动特性和结构参数⏹飞控系统可以改善飞机的稳定性与操纵性⏹飞行中飞机表面承受着气动压力分布的压力可以看作作用于飞机质心的空气动力系数用无因次无因次形式表示，有利于分析比较，风洞数据形式表示，有利于分析比较，风洞数据升力系数：C la =Z a /qS ，纵向系数阻力系数：C xa =X a /qS侧力系数：C ya =Y a /qS 横侧向系数滚转力矩系数：C L =L/=L/qSb qSb俯仰力矩系数：C M =M/=M/qSC qSC A偏航力矩系数：C N =N/=N/qSb qSb式中：q=1/2 V 2—动压，qS =牛顿（力），S —机翼面积，b —机翼展长，C A —机翼平均气动弦长S 、b 、C A 等—每个飞机的特征量苏制坐标系及符号⏹xyz坐标轴顺序：北天东（美制／国标：北东地）⏹姿态角：俯仰角、滚转角、偏航角⏹航迹角：航迹偏转角航迹倾斜角⏹角速率：（美制：p、r、q）⏹气动力—阻力Q、升力Y、侧力Z⏹气动力系数—cx、cy、cz⏹气动力矩—滚转力矩Mx、偏航力矩My、俯仰力矩Mz（美制：L、N、M）⏹气动力矩系数—mx、my、mz⏹舵面表示：（美制：）y zxωωω、、ϑγψθsψx y zδδδ、、a r eδδδ、、后两小节重点空速空速V V ，马赫数，马赫数M M ，动压，动压q q ；坐标系：惯性坐标系、机体坐标系、速度坐标系；飞机运动参数：俯仰角、滚转角、偏航角；迎角与侧滑角；操纵：三个舵面（升降舵、方向舵、副翼）偏转角；稳定性定义；空气动力系数：无因次系数；第一章第一次课结束谢谢！。