04-飞机基本飞行性能的计算解析

2020/4/29第四章飞机基本飞行性能的计算4．1引言铅垂平面内的定常直线飞行——速度、航迹角不变！“准定常”定常直线爬升定常直线平飞定常直线下滑涡轮喷气发动机基本飞行性能最常用的简单推力法能量高度法（考虑动能变化）2020/4/294．2飞机的平飞需用推力如果、和较小而且不大的情况下，有pGPGYmgQPkysin当飞机作水平直线飞行（定直平飞）时0GYQPpfky2020/4/29表示可用推力为方便，以后下标“ky”全部去掉，下标“pf”表示平飞！kyP在一定高度、一定速度小进行等速度直线平飞所需要的发动机推力——平飞所需推力，用pxPpfpxQPCxSV221YGSVCy221pxPKGCCKxy2020/4/29V,H()，G→→极曲线查出→KCyCxG一般取平均重量！（起飞和着陆重量的平均值）实际计算中需要计算飞机在不同高度H上以不同速度V（或M数）飞行是的平飞需用推力曲线。MCMSaGCy22212SaGC222020/4/29在一定的计算高度上，C为常数，升力系数、升阻比和平飞需用推力只是V（或M数）的函数！计算基本飞行性能时，飞机处于基本气动外形状态（无外挂或正常外挂，起落架和襟翼收起）——对应的极曲线！2020/4/292020/4/29某一V和或M数下，平飞需用推力或阻力最小——有利状态。平飞需用推力或阻力最小状态对应于升阻比最大状态minpxPmaxKG在最大升阻比状态下，零升阻力系数等与升致阻力系数：有利升力系数为：CACyylx20ACCxyyl02020/4/29有利速度（或最小阻力速度）：ACSGVxyl02——平飞需用推力曲线上的另外一个典型飞行状态，对应速度称为远航速度（或远航M数）,min)(VPpxVyhMyh因为：22SGCCVSCVPyxxpx2020/4/29相当于极曲线上最小的状态，由极曲线的表达式。可得：min)(VPpxCCyx求极值可得最小状态下的零升阻力系数：CACCCCyyxoyx3CCyx该状态下的零升阻力系数是升致阻力系数的3倍！！！！对应的远航升力系数为CCACxiyyhx3320ACCxyyh302020/4/29总阻力系数:034xxyhCC升阻比为：远航速度：CAKxyh0143ACSGVxyh320316.134VVylyh随着高度增加，有利和远航速度都要增加！在发动机耗油不变的情况下，在给定高度上，以有利速度飞行，续航时间最长！以远航速度飞行，航程最大！！！2020/4/29————M数和高度的函数！！！！！MASaGMCSaQQQPxipfpx2222020221与飞行速度（或M数）的关系2020/4/292020/4/29在低亚音速范围（M临界Mlj），基本不随M数变化，零升阻力与M2成正比增加；升致阻力与与M2成反比降低。在M数较低（M有利Myl）,由于升力系数较大，升致阻力较零升阻力大，并在总阻力中占主要地位。随着M数的增加，逐渐减小，升致阻力也减小，致使平飞需用推力降低。当M有利Myl,随着M数增加，虽然升致阻力越来越小，但零升阻力逐渐增大并在总阻力中占主要地位，结果使平飞需用推力又开始增加（I区）ACxo,Q0QiCyiQQ0CyiQQiQ02020/4/29当飞行M数超过临界Mlj进入跨音速范围（临界MljM1.2-1.3）以后，由于波阻的出现导致激增（大致与M2－M4成正比），在某一Ｍ数（大约在Ｍ＝1.05-1.2）达到最大，导致平飞需用推力急剧增加（大致与M4－M6成正比）（II区）Cx02020/4/29当超音速飞行时（Ｍ1.2-1.3），迎面阻力主要来自零升阻力。先大致与成正比。而后逐渐变为与成正比的下降，致使在较高Ｍ数下平飞需用推力大致与Ｍ数成比例地增加。（III区）Q0xoC112MM12020/4/29与飞行高度的关系2020/4/29随着高度增加，平飞需用推力曲线总的变化趋势是向右平移，并在超音速度范围，平飞需用推力曲线变的越来越平缓。在低亚音速下，升致阻力在总阻力中占主导地位，而且随着高度增加，升致阻力增加。由于在低亚音速范围最大升阻比基本为常数，因而基本不随高度变化。但由于有利速度相对应的随着高度增加而增加，所以对应的最小阻力状态下的向右移动。iQiQKmaxminpxPMylminpxP2020/4/29在超音速范围，零升阻力大于升致阻力，由于随着高度增加，零升阻力减小，所以总阻力（平飞需用推力）减小。但升致阻力则随着高度增加而增加，所以在接近静升限的高空飞行时，（Ｈ＝１９km的情况），升致阻力大大增加。此时随着飞行Ｍ数增加，升致阻力减小和零升阻力增加差不多，因而平飞需用推力随着Ｍ数增长的程度比较缓慢！！！Q0iQQ0iQiQQ02020/4/294．3确定基本飞行性能的简单推力法GYmgQPsin———剩余推力！（大于零，定直上升；等于零，定直平飞；小于零，定直下滑）QPPPPpfpx2020/4/29把发动机可用推力曲线（取全加力、部分加力、最大状态）和平飞需用推力曲线绘制在一张P-V（或M数）平面上！——直接求出——求出——简单推力法P2020/4/29一、定直平飞性能的计算VmaxminV最大平飞速度和最小平飞速度1、平飞速度同一高度下的把发动机可用推力曲线（取全加力、部分加力、最大状态）和平飞需用推力曲线的最右交点！！（其他方面的限制！！！）Vmax2020/4/292020/4/292、最小平飞速度同一高度下的把发动机可用推力曲线和平飞需用推力曲线的最左点！！（其他方面的限制！！！）速度下降——为保证升力等于阻力——必须增加迎角——失速、允许、抖动升力系数限制，还有受到最大配平舵偏角限制！minV2020/4/29代表以上升力系数！！！CSGVy**min2Cy**CSGCSGVVyydl**00**0minmin222020/4/29二、定直上升的计算上升率，最大上升率，上升航迹角，最大航迹角，最短上升时间，静升限等！VyVymaxmaxtminHmax（1）上升航迹角，最大航迹角maxsinGQPPPPpfpxGParcsin2020/4/29最大航迹角（剩余推力最大，对应的速度称为最陡上升速度。一般接近有利速度！）GPmaxmaxarcsin（2）上升率和最大上升率VyVymaxGPVVdtdHVysin最大上升率（对应的速度称为快升速度）GPVVymaxmax)(Vks基本步骤：（H=8km）2020/4/292020/4/292020/4/292020/4/29（3）静升限指飞机能作定直平飞的最大高度H增加过程中，可用推力曲线逐渐向下移动，而平飞需用推力曲线逐渐向右移动，而且越来越平缓，当上升到某一极限时，两曲线相切于某一点，此时飞机仅能以切点处的速度对应的唯一飞行速度定直平飞。大于或小于此速度都不行！！！Hmax（到达升限的时间为无穷大）——理论升限！0maxVyHlmax2020/4/29高机动性飞机规定与米/秒相对应、低亚音速飞机规定米/秒相对应的实际高称为实用升限（全加力、部分加力、最大状态不一样！！！）5maxVy5.0maxVyHsmax2020/4/292020/4/29（4）定常上升到某一高度的最短上升时间tminVdHdty飞机从海平面定常上升到某一高度的最短上升时间为：HyVdHt0maxmin图解积分法！！)(1maxminniyVHt2020/4/29先把曲线转绘成曲线，则曲线与H坐标轴包围的曲线面积按坐标比例换算后即为最短上升时间)(maxHfVy)(1maxHfVyVymax1tmin2020/4/292020/4/29NOTE：超音速飞机以上升时，上升过程中各航迹速度是变化的！！！VymaxVksdtVdVdHdtdtVddHVdksyksksmax1（有动能变化！，力平衡简化方程有误差！）高机动性超音速飞机，最短上升时间的计算误差大！能量法解决以上问题！tmin2020/4/29（5）飞机上升过程中的水平距离图解积分！！三、飞机定常直线下滑性能的确定LxcosVVxdHctgVdHVdtVLHyHtx000coscos2020/4/29cossinGYmgQP滑翔P=0cossinGYmgQKtg1升阻比增大，下滑角降小！！4.4定常飞行状态及其操纵关系一、飞行包线在H-V平面上，最大平飞速度线和最小平飞速度曲线所勾划出的飞机定常飞行的高度—速度范围——飞行包线在飞行包线内飞机可作等速直线飞行、加速和减速等各种机动飞行！！飞行包线范围越大，飞机所具有的战斗能力越强！！！飞行包线受到以下因素的限制：（1）动力装置稳定工作的条件；（2）飞机结构强度和刚度条件；（3）飞行操纵和稳定性等。（要对最大速压和最大飞行M数加以限制）)(maxHfV)(minHfV对速压的限制强度（悬挂接头等）；刚度（操纵效能、颤振等）M数限制飞机操纵稳定性；进气道、压气机和涡轮的稳定性；气动加热允许飞行包线（飞行品质规范规定）！！二、平飞范围的划分第一飞行范围（正常操纵区）第二飞行范围（反常操纵区）讨论：在1和2点都满足：，驾驶杆和油门不动，1点稳定，2点不稳定！！！！分界点：最大剩余推力所对应的最陡上升速度（接近有利速度），曲线正斜率（有利速度右侧）第一飞行范围；曲线负斜率（有利速度左侧）第二飞行范围pxPPGYmaxPVVylpxPVylpxPVyl操纵规律：1点（1）保持1点平飞，只需要操纵驾驶杆保持迎角，不必动油门(2）飞机转入定常直线上升，只需要后拉杆增加迎角即可，不必动油门；思考：不动驾驶杆，增加油门，飞机如何运动？？？（保持原速度定常上升）11VV2点（1）保持2平飞，要协调操纵驾驶杆和油门！！（2）飞机转入定常直线上升正常操纵习惯，驾驶员应该后拉杆。但在2点，后拉杆后飞机反而下降，这是因为后拉杆使飞机迎角增加，阻力增加，导致可用推力小于平需推力。所以驾驶员必须同时增加油门才能使飞机实现定常上升！若油门保持不变，要实现定常上升，则要推驾驶杆！！反操纵！！！22VV上升极线max上升极线的点A为最大上升角状态，是第一、第二飞行范围的分界点。•上升极线上各飞行状态代表等速上升或下滑状态；•上升极线以上代表减速上升或下滑状态；•上升极线以上代表加速上升或下滑状态。分析：（1）从第一飞行范围的C点到E点（正常操纵）（2）从第二飞行范围的B点到A点（反操纵）要保持或改变飞行状态第一飞行范围：只需动驾驶杆；第一飞行范围：驾驶杆、油门相互配合4.5非定常上升运动性能的能量高度法一、能量特性飞机的总机械能：单位飞机重量的总机械能：——单位是米，能量高度能量高度的物理意义：如果爬升过程中阻力和推力平衡，当飞机将所有动能转化成位能时，飞机所能到达的理论高度。VgGGHE221gVHGEHnl22能量变化率：第一项是飞机的几何上升率；第二项中是飞机的加速度，当飞机作近似直线运动时，有：如果不大，可认为）则有：dtdVgVdtdHdtdHnldtdVsin)cos(GQPdtdVgGpp1)cos(pdtdHGVQPVGVQPdtdVgV)(sin)(GVQPdtdHdtdVgV)(——能量变化率表示单位飞机重量的剩余功率（简称单位剩余功率），单位是米/秒，又成为能量上升率，用表示。和定常上升运动方程形式上一样，但物理意义不一样！！！！！GVQPdtdHnl)(VyGVQPdtdHVnly)(能量上升率的过载表达式：一般情况下，当飞机以过载飞行时，有：则有：——能量上升率与过载有关系！！！！！一般讨论中取过载等于1，即升力等于重力！此时如果：GYnyqSGnCyy20(）qSGnACCyxx)20SGq