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飞行力学基础.doc

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第二章飞行力学基础2.1 飞行器空间运动的表示、飞行器操纵机构、稳定性和操纵性的概念2.1.1 常用坐标系1)地面坐标系(地轴系)(Earth-surface reference frame)Sg-o gxgygzg原点 og取自地面上某一点(例如飞机起飞点)。o gxg轴处于地平面内并指向某方向(如指向飞行航线);o gyg轴也在地平面内并指向右方;o gzg轴垂直地面指向地心。坐标按右手定则规定,拇指代表 ogxg轴,食指代表 ogyg轴,中指代表 ogzg轴,如图 2.1-1 所示。2)机体坐标系(体轴系)(Aircraft-body coordinate frame)Sb-oxyz原点 o 取在飞机质心处,坐标与飞机固连。Ox 与飞机机身的设计轴线平行,且处于飞机对称平面内;oy 轴垂直于飞机对称平面指向右方;oz 轴在飞机对称平面内;且垂直于 ox 轴指向下方(参看图 2.1-1)。发动机推力一般按机体坐标系给出。xyzoygzgxgog3)速度坐标系(Wind coordinate frame)Sa-ox ayaza速度坐标系也称气流坐标系。原点取在飞机质心处,ox a轴与飞行速度 V 的方向一致。一般情况下,V 不一定在飞机对称平面内。oz a轴在飞机对称面内垂图 2.1-1 机体坐标系与地面坐标系直于 oxa轴指向机腹。oy a轴垂直于 xaoza轴平面指向右方,如图 2.1-2 所示。作用在飞机上的气动力一般按速度坐标系给出。xayazaoygzgxgog4)航迹坐标系(Path coordinate frame)Sk-ox kykzk原点取在飞机质心处,ox k轴与飞机速度 V 的方向一致。oz k轴在包含 oxk轴的铅垂面内,向下为正;oy k轴垂直于 xkozk轴平面指向右方。研究飞行器的飞行轨迹时,采用航迹坐标系可使运动方程形式较简单。2.1.2 飞机的运动参数1)飞机的姿态角1.俯仰角 (Pitch angle)机体轴 ox 与地平面间的夹角。以抬头为正。2.偏航角 (Yaw angle)机体轴 ox 在地平面上的投影与地轴 ogxg间的夹角。以机头右偏航为正。3.滚转角 (Roll angle)又称倾斜角,指机体轴 oz 与通过 ox 轴的铅垂面间的夹角。飞机向右倾斜图 2.1-2 速度坐标系与地面坐标系时为正。2)速度轴系与地面轴系的关系以下三个角度表示速度坐标系与地面坐标系的关系。1.航迹倾斜角 飞行速度矢量与地平面间的夹角,以飞机向上飞时的 为正。2. 航迹方位角 飞行速度矢量在地平面上的投影与 ogxg间的夹角,以速度在地面的投影在ogxg之右为正。3. 航迹滚转角 速度轴 oza与包含 oxa轴的铅垂面间的夹角。飞机向右倾斜时为正。3)速度向量与机体轴系的关系1.迎角 (Angle of attack)速度向量 V 在飞机对称面上的投影与机体轴 ox 轴的夹角。以 V 的投影在轴之下为正,如图 2.1-3 所示。box bxbybzVo2. 侧滑角 (Sideslip angle)速度向量 V 与飞机对称面的夹角。以速度 V 处于对称面之右时为正。3)机体坐标系的速度分量飞行速度 V 在机体坐标系三个轴上的分量分别为 、 和uvw在滚动轴 上的分量:bxu在俯仰轴 上的分量:yv图 2.1-3 迎角与侧滑角在偏航轴 上的分量:bzw迎角和侧滑角可以用速度分量定义(2.1-1)uarctn(2.1-2)Vvsi其中 212)(wvu如果迎角和侧滑角很小(〈15º〉 ,则式(2.1-1)和式(2.1-2)可以近似为(2.1-3)u(2.1-4)Vv其中 和 的单位为弧度(rad) 。4)机体坐标系的角速度分量机体坐标系相对于地面坐标系的转动角速度 沿机体坐标系各轴的分量分别为 、 和pqr滚动角速度 :与机体坐标轴 一致;bx俯仰角速度 :与机体坐标轴 一致;y偏航角速度 :与机体坐标轴 一致。rbz飞行器的三个线运动和三个转动构成了飞行器的六自由度运动。2.1.3 飞行器的操纵机构飞机的运动通常利用升降舵、方向舵、副翼及油门杆来控制。升降舵(Elevator)偏转角用 表示,规定升降舵后缘下偏为正。 的正e e向偏转产生的俯仰力矩 为负值,即低头力矩。M副翼(Ailerons)偏转角用 表示,规定右副翼后缘下偏(左副翼随同上偏)a为正。 正向偏转产生的滚转力矩 为负值。aL方向舵(Rudder)偏转角用 表示,规定方向舵后缘向左偏转为正。 正向r r偏转产生的偏航力矩 为负值。N驾驶员通过驾驶杆、脚蹬和操纵杆操纵舵面。规定驾驶杆前推位移 为正eW(此时 亦为正);左倾位移 (此时 亦为正);左脚蹬向前位移 为正eaWar(此
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