第三章-飞行原理---空气动力

空气动力学基础（ME、AV）第一章大气物理学第二章空气动力学第三章飞行理论第四章飞机的稳定性和操纵性第三章飞行理论3.1飞机重心、机体坐标和飞机在空中运动的自由度3.2飞行时作用在飞机上的外载荷及平衡方程3.3载荷系数3.4巡航飞行、起飞和着陆3.5水平转弯和侧滑3.6等速爬升和等速下滑3.7增升原理和增升装置3.1飞机重心、机体坐标基本概念：飞机机体以及飞机上所装载的所有设备、燃油、货物、乘员等重量之合叫做飞机的重力，用符号W表示。飞机重力的作用点叫做飞机的重心。飞机重心的位置常用重心到平均气动力弦前缘距离XW和平均空气动力弦长bA之比的百分数来表示XW平均=（XW/bA）×100%飞机的平均气动力弦MAC(MeanAerodynamicChord)飞机机翼的平面形状确定后，对应一个假想或相当的矩形翼，该矩形翼产生的面积、气动力及俯仰力矩都与原机翼等价，该矩形翼的弦即为平均气动力弦MAC，其长度cA和位置lA取决于机翼的平面形状c0c0c1c1cAlA飞机在空中运动的自由度确定飞机在空中运动特性的基本方法是把飞机看做一个刚体，飞机的任何一种运动都可以分解成随重心的移动和绕重心的转动。飞机的机体轴线有3个，它们都相交于飞机的重心，并且两两相互垂直沿着机身长度方向，在水平平面内由机尾通过重心指向机头的直线称为飞机的纵轴OXt（滚转轴）通过飞机的重心并垂直于纵轴和横轴，指向飞机上方的直线称为飞机的立轴OYt（偏航轴）从左机翼通过飞机重心到右机翼并与纵轴垂直的直线称为飞机的横轴OZt（俯仰轴）飞机机体坐标系O（Xt，Yt，Zt）z横轴y立轴MyMzMx飞机的自由度空间一个刚体的运动，可以用其重心的质点平移运动和绕其重心的旋转运动两种运动的叠加来描述。有六个自由度：三个平移和三个转动。飞机重心运动轨迹代表整架飞机的运动轨迹。空间一个质点的运动有三个平移自由度;分别是沿地面坐标系的X、Y、Z三个轴的平移运动。机体绕重心的转动运动有三个转动自由度;机体绕重心转动的自由度也有三个：分别是绕Xt轴的滚转、绕Yt轴的偏航和绕Zt轴的俯仰。飞机随重心转动的自由度3.2飞行时作用在飞机上的外载荷及其平衡方程飞机上的外载荷：重力、空气动力和发动机推力飞机的平衡是指作用于飞机的各力之和为零，各力重心所构成的各力矩之和也为零。飞机处于平衡状态时：——飞机速度的大小和方向都保持不变；——也不绕重心转动。飞机的平衡包括俯仰平衡、方向平衡和横侧平衡刚体运动平衡方程0,0,00,0,0ZYXMMMZYX飞机水平直线匀速飞行时的平衡方程飞机水平直线匀速飞行时的平衡方程外载荷：飞机重力W、气动升力L0、气动阻力D0和发动机推力P是一个平衡力系，满足六个平衡方程。由于作用在飞机上的载荷左右对称，六个平衡方程中的∑Z=0和∑MX=0、∑MY=0方程自然满足，所以，保持飞机水平匀速飞行，作用在飞机上的外载荷就必须满足以下各式：BAzoooMMMDPXWLY000俯冲拉起时受载情况如果作用在飞机上的外载荷不能满足平衡方程，飞机就会做变速运动，速度的大小或方向会发生变化，改变原来的飞行状态。比如：P＞D，飞机会加速飞行；L＞W，飞机会产生向上的曲线飞行；MA≠MB，飞机会抬头或低头，产生绕机体横轴OZt的转动角加速度等等。飞机水平转弯，进入俯冲，俯冲拉起等机动飞行都是在不平衡外载荷作用下进行的变速运动。飞机俯冲拉起时的受载情况)/()/(sin2RgWamLn图中表示飞机进行俯冲拉起时的受力情况。在拉起过程中，飞机以速度V沿半径为R的圆形轨迹做圆周运动，速度的方向在不断地变化，它运动的向心加速度为an=V2/R。迫使飞机产生向心加速度的向心力等于飞机的质量和向心加速度的乘积，即Fn=m×an=（W/g）×（V2/R）m—飞机的质量；W—飞机的重力；g—重力加速度。载荷系数除了飞机重力外，作用在飞机上的其他外载荷沿飞机机体坐标轴方向的分量与飞机重力之比称为飞机在该方向的载荷系数。用n表示。飞机在y轴方向的过载系数等于飞机升力Y与飞机重量W的比值Ny=L/W飞机结构强度主要取决于Y轴方向的过载。载荷系数的大小表示外载荷是飞机重力的几倍，正负表示外载荷的方向。过载系数的大小和方向（正、负）飞机的重心过载取决于飞行时升力的大小和方向。升力与y轴正向一致时取正号，反之则取负号。飞行中遇到向下的强大突风，可能使飞机升力向下，产生负过载。飞机从平飞减速緩慢转入下滑,过载是小于1.0的正数。飞机从平飞突然推杆进入俯冲,可能产生负过载。飞机从下滑急速拉起,可能产生很大的正过载。飞机等速直线水平飞行，过载系数等于1.0。3.4巡航飞行飞机巡航飞行应满足的平衡条件：升力等于重力、推力等于阻力。平飞所需速度：飞机在某高度上保持平飞所需的升力（等于重量）对应的飞行速度。平飞速度21/2）（平飞SCWL影响平飞所需速度的因素：飞机重量：重量愈大所需速度愈高。升力系数：取决于飞机的迎角，迎角减小所需速度就高。空气密度：取决于飞行高度和大气温度，飞行高度高或气温高所需速度就高。机翼面积：面积大所需速度就低。平飞所需功率：推力用于克服阻力，平飞需用推力取决于平飞所需速度对应的飞机阻力。功率等于推力与速度的乘积。式中P平飞是保持飞机以V平飞速度飞行时需要的推力,叫做平飞时的需用推力。平飞平飞平飞vNP巡航飞行最大平飞速度一般是指发动机满油门状态下，飞机做水平直线飞行时所能达到的最高稳定平飞速度。相关因素：飞机平飞所需推力发动机的可用推力飞行高度的限制飞机结构强度限制剩余功率2maxmax21vq动压：飞机的最大平飞速度随高度增加而减小（发动机的可用推力减小）。.剩余推力：发动机的可用推力大于飞机平飞所需推力的部分。剩余推力是飞机平飞加速和等速爬升的必要条件。限制飞机最大平飞速度的因素：发动机可用推力和飞机结构强度。巡航飞行最小平飞速度：飞机最小平飞速度是维持飞机水平直线稳定飞行的最低速度。不同高度有不同的最小飞行速度，随着高度的增加最小飞行速度增加。飞机维持水平飞行的最低稳定速度。相关因素最大升力系数。发动机的可用推力。飞机失速速度（最小平飞速度大于失速速度）21/2）（平飞SCWL飞机平飞速度范围定义：从最小平飞速度到最大平飞速度。表征飞机的平飞性能好坏。飞机平飞包线(p59,60)最左边边界线为最小平飞速度线,边界线各点表示的速度大于相应高度的失速速度。受到最大升力系数和发动机可用推力的限制。此边界线左边各点所表示的高度和速度组合不会在飞行中出现。最右边的边界线是最大平飞速度线（高空用马赫数表示）。低于巡航高度时受飞机结构强度限制最大平飞速度减小；高于巡航高度时，最大平飞速度受发动机可用推力限制。边界线右边各点的高度和速度组合不在飞行中出现。飞行包线定义：以飞行高度、飞行速度、载荷系数等飞行参数为坐标，以飞行中的各种限制条件为边界组成的一条封闭曲线。飞机在飞行中出现的各种飞行参数的组合只能出现在飞行包线所围范围以内或飞行包线的边界上。飞机的平飞包线受最大升力系数、飞机结构强度、发动机可用推力的限制。速度--过载包线（机动包线和突风包线）P60以飞行速度和过载系数为坐标，以最大和最小飞行速度，最大正、负过载系数为边界画出的飞行包线。它表示飞机结构在不同飞行速度下的受载情况，是选取飞机结构强度设计情况的依据。最大正过载表示飞机承受的气动升力指向机体立轴的正向并达到最大；最大最负过载表示飞机承受的气动升力指向机体立轴的反向并达到最大；最大速度表示此时飞机的载荷或升力不一定最大，但机翼表面的局部气动载荷很大，压力中心靠后，考验机翼结构局部强度的严重受载情况。巡航飞行巡航速度每千米耗油量最小的飞行速度，即达到最大航程的飞行速度。航程飞机在无风和不加油的条件下，连续飞行耗尽可用燃油时飞行的水平距离航时飞机耗尽可用燃油时能持续飞行的时间。起飞起飞定义：从起飞线开始，经过滑跑-离地-爬升到安全高度（飞机高于起飞表面10.7米—CCAR-25）为止的全过程。主要性能指标：地面滑跑距离、离地速度和起飞距离。影响起飞性能的主要因素：起飞重量、大气条件（密度、风向等）、离地时的迎角、增升装置的使用、发动机的推力及爬升阶段爬升角的选择等。起飞离地速度起飞距离从开始滑跑到飞机越过安全高度时所经过的水平距离。三个阶段：起飞滑跑加速、拉起离地和上升到安全高度2/1LSC/W2））（）（（离离v飞机着陆定义：安全高度（高于着陸表面15米—CCAR-25）下滑-拉平-平飞减速-飘落触地-滑跑停机，五个阶段的全过程。主要性能指标：接地速度、着陸滑跑距离和着陸距离。影响着陆性能的主要因素：着陸重量、大气条件（密度、风向等）、接地时的迎角（正常应取允许的最大值）、增升增阻装置和发动机的反推及刹车装置的使用等。接地速度定义：飞机在着陆过程中，接地瞬间的速度。接地速度越小越好，因为接地速度越小飞机着陆越安全，着陆滑跑的距离也越短。V接=k（（2W）/（CL接S））½其中k是考虑到飞机要向前飘落一段才接地，接地速度有所减小而选取的一个略小于1的修正系数。飞机的接地速度要比升力平衡重力所需速度略小一些。影响因素：飞机着陆接地速度和飞机着陆重量、空气密度以及接地时的升力系数有关。着陆安全事项如果着陆重量过大或机场温度较高或在海拔较高的机场着陆，都会造成接地速度过大，使飞机接地时受到较大的地面撞击力，损坏起落架和机体受力结构；也会使着陆滑跑距离过长，导致飞机冲出跑道的事故发生。着陆时的重量不能超过规定的着陆重量。在不超过临界迎角和护尾迎角的条件下，接地迎角应取最大值，增升增阻的后缘襟翼在着陆时要放下最大的角度，以最大限度的增加升力系数减小接地速度着陆滑跑距离定义：飞机从接地点开始，经滑跑减速直至完全停止下来所经过的距离叫着陆滑跑距离。影响因素：接地速度的大小、滑跑减速的快慢有关。接地速度越小，滑跑减速越快，着陆滑跑距离就越短。为了使飞机在滑跑中很快将速度降下来，着陆后要打开减升增阻的扰流板，使用发动机反推装置和刹车。水平转弯定义：飞机在水平面内连续改变飞行方向的曲线运动。航向改变角度大于360度，叫水平盘旋;小于360度叫水平转弯飞机在进行水平转弯时，运动的轨迹由直线变为曲线。飞行速度大小虽然没有改变，但运动速度的方向却在不停地变化。速度方向的改变，说明飞机运动有向心加速度an，向心加速度大小可表示为：an=式中：V——飞机飞行速度；R——转弯航迹的半径。加速度方向垂直于航迹的切线，指向航迹的中心水平转弯飞机水平转弯时，升力在垂直方向分量与飞机的重量平衡；在水平方向的分量提供了使飞机作曲线运动的向心力。最大倾斜角的限制因素：飞机结构强度、发动机推力、飞机临界迎角。相关操纵：副翼，升降舵，方向舵，发动机推力。RvgWRvmLWLDP22)/(sincosny=L/W=1/cosγ操纵飞机水平转弯首先操纵副翼，使飞机产生滚转角，则飞机可以在水平方向产生分量，提供向心力保持飞行速度不变，操纵驾驶杆向后，则飞机抬头，增大迎角，提高升力，与重力平衡，否则容易在转弯时掉高度同时加大引擎推力，以平衡迎角增大带来的阻力增大问题，保证飞行速度大小不变。水平转弯理论转弯理论：偏转副翼-拉驾驶杆-推油门杆-蹬方向舵（有飞行扰流板的飞机不蹬舵）。力是产生加速的原因：要使飞机速度方向改变，应在重心处施加与原来速度方向垂直的水平横向力。通过操纵副翼使飞机产生倾斜角（盘旋坡度），飞机升力在水平方向上的分量使飞机速度方向改变—转弯。保持‘水平’转弯：飞机升力在垂直方向上的分量应等于重量。通过拉驾驶杆操纵升降舵使飞机迎角增加而实现。飞机作水平盘旋时，其过载系数大于l.0，转弯半径愈小要