飞行控制系统课件

飞行力学与飞行控制授课人：李广文刘小雄手机号：[phone]Email：[e-mail]办公室：自动化学院D235参考资料吴森堂费玉华飞行控制系统北京航空航天大学出版社2005蔡满意飞行控制系统国防工业出版社2007郭锁凤申功璋吴成富先进飞行控制系统国防工业出版社2003鲁道夫布罗克豪斯著，金长江译飞行控制，国防工业出版社1999徐鑫福飞机飞行操纵系统，北京航空航天大学出版社1989肖顺达飞机自动控制系统，国防工业出版社，1980课程的主要内容飞行力学和飞行控制主要分两部分：描述飞机运动的飞行力学和控制飞机按照预定目标运动的飞行控制系统原理和设计方法。飞机飞行动力学是力学的一个分支，其任务是建立描述飞机运动动力学(或数学)模型，并在此基础上对所设计飞机稳定性操纵性进行分析。飞行力学主要内容1.空气动力学基本知识飞机为什么能够飞起来？空气的特性，描述空气的基本方程，低速和高速2.飞机的操纵机构飞机是靠那些机构操纵的？基本的操纵机构及其极性，飞机运动的坐标系和运动参数3.气动力与力矩操纵机构的运动是如何影响飞机运动的？气动力和力矩产生的原因及其影响因素4.刚体飞行器的运动方程如何来描述飞机的运动？5飞机的操稳特性如何判断一架飞机是稳定？衡量飞机稳定性的指标有哪些？飞行控制的主要内容舵机和舵回路的结构和原理；执行机构典型飞行控制系统的工作原理阻尼器、增稳系统、三轴姿态控制系统、航迹控制系统、空速控制系统等飞行控制系统的设计方法飞机的飞行品质和基本的控制律结构和控制参数选择。本次课的主要内容飞机发展简史飞行控制系统发展史飞机和飞行控制系统发展简史1903年12月17日上午10时35分：美国北卡罗来纳州。莱特兄弟研制的第一架有动力的飞机----“飞行者一号”升空飞行，这是是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操纵的重于空气飞行器的首次成功飞行。飞行持续了12秒，飞了36.6米。1909年6月，威尔伯·莱特（左）和奥维尔·莱特兄弟在美国俄亥俄州代顿的家门口航空百年大事记1903年12月17日上午10时35分：美国北卡罗来纳州，奥维尔·莱特第一次用比空气重的飞行器“飞行者1号”进行了有动力的持续飞行，飞行持续了12秒，飞了36.6米。1908年：法国飞行员路易斯·布莱里奥驾驶单翼飞机飞越英吉利海峡，他从法国加来附近的巴拉克起飞，在英国降落，飞行了40分钟。1927年5月21日：美国著名飞行员查尔斯·林德伯格驾驶单翼飞机“圣路易斯精神号”首次完成了不间断单独飞越大西洋。历时33.5小时，飞行3614英里1939年8月27日：德国第一次展示了涡轮喷气式飞机亨克尔He178升空，时速700公里。1939年9月17日，德国直升机设计时H.福克驾驶VS300首飞，这是世界上第一架实用直升机1943年：德国制造出第一种喷气式战斗机“ME—262A”。1947年：美国人查克·耶格尔驾驶贝尔X-1型飞机第一次以超过音速的速度飞行，飞行时速为1.015马赫。1956年9月27日：美国空军飞行员阿普特上尉驾驶贝尔X2火箭研究机飞行，飞行速度达到每小时3380公里，突破了“热障”，使飞行速度达到前所未有的3.2倍音速。1967年10月3日，NASA的X-15飞机达到M6.72(7272km/h),这是迄今最快的有人驾驶飞机1974年1月21日，YF-16意外首飞，这是是世界上第一种全电传静不稳定战斗机；1990年9月29日，YF-22首飞，战斗机进入四代时代2005年4月27日，空客A380首飞。2011年1月11日12时50分，歼20首飞，实现中国航空工业从望尘莫及到望其项背的跨越查尔斯·林德伯格和“圣路易斯精神号”NASAX-15,1967年M6.7YF-16,第一种采用主动控制技术的飞机初始阶段（1903至1938年）飞机从采用机翼面积很大的多翼机，发展到张臂式单翼机，从木布结构到全金属结构，从敞开式座舱到密闭式座舱，从固定式起落架到收放式起落架的过渡，飞机的发展走过了初始阶段。伊-15号称世界上最好的双翼战斗机Bf109E完善阶段（1939至1945年）这一阶段，由于正处在第二次世界大战中，因战争的需要促进了空军迅猛发展，飞机数量、种类以及性能得到空前提高。当时飞机研发的目标：首先是加大发动机的功率，提高效能和高空性能；其次是对亚音速气动布局的精心设计和推敲。在提高发动机功率方面，加大气缸容积，增加气缸数量，加大发动机转速和预压缩工作介质等措施。在改进气动方面，采取了整流措施，如发动机加整流罩，都大大降低了飞机的废阻力。在翼型研究上也有了突破，出现了层流翼型、尖锋翼型等低阻翼型。在这一时期，由于仍然采用的是活塞式发动机，因受音障限制，飞行速度已经接近这类飞机的极限（时速750千米左右），因此这一时期飞机经过了完善的发展阶段，也可以说是活塞式内燃发动机发展到极限的特殊阶段。英国“喷火Mk5”机长9.83米，翼展12.19米，空机重量2983千克，最大起飞重量3648千克，最大飞行速度625千米，升限10850米。武器系统4门机炮外加炸弹生产商：北美航空公司P-51野马式战斗机机长：9.83m翼展：11.28m机高：4.17m空重：3465kg最大起飞重量：5490kg最大速度：703km/h巡航速度：580km/h最大航程（带副油箱）：2655km升限：12770m爬升率（3200英尺）：16.3m/s武器：6x12.7mm机枪，10x58英寸(127mm)火箭/2000磅(907kg)炸弹突破阶段（1946至1957年）航空技术发生根本性变革的重要阶段。正当人类将飞机向更高速度推进时，活塞发动机发展到了极限，在第二次世界大战的推动下，燃气轮机技术开始走向实用化，开始制造大批涡轮喷气发动机。“二战”结束后，美、苏两国都利用从德国缴获的资料和设备，在德国技术人员的帮助下，大力研发喷气式飞机。在这一阶段主要解决喷气动力飞机的三大航空科学技术难题，即声障、气动弹性和疲劳断裂问题。声障是指把飞机飞行速度提高到超过音速时遇到的障碍。气动弹性是指飞机由于飞行速度的提高而产生结构变形，通过气动力耦合致使飞机翼面等结构部件发生高频振动。疲劳断裂是高空飞机的气密机舱在升、降过程中，由内外压差交变而引发疲劳、发生断裂。这一问题首先是通过英国“彗星”式喷气客机多次坠毁而发现的，事故原因最终归咎于机身结构在高空发生疲劳断裂。上世纪50年代初，在朝鲜战争中喷气式飞机已大规模用于空战。50年代中期，喷气战斗机的飞行速度已达到音速的两倍。产生所谓第一代战斗机主要特点是采用后掠翼，飞行速度为亚声速美国人查克·耶格尔驾驶贝尔X-1型飞机第一次以超过音速的速度飞行，飞行时速为1.015马赫性能数据：空重5050千克，正常起飞质量6890千克，最大起飞重量9350千克最大速度960千米/小时（高度10700米），实用升限15000米，巡航速度850千米/小时，爬升率40米/秒，作战半径750千米（挂两个副油箱），转场航程2460千米，续航时间2.9小时性能数据最大起飞重量(带副油箱)6000千克正常起飞重量5340千克正常着陆重量4164千克空重3939千克最大燃油重量(机内)1170千克最大平飞速度(高度3000米)1145公里/小时(高度11000米)M0.994巡航速度800公里/小时实用升限(无外挂，加力)16000米最大爬升率4548米/分最大使用过载8g最大航程(带副油箱)1560公里最大航程(机内燃油)1020公里续航时间(带副油箱)2小时50高超音速阶段（1958至今）从1958年开始，航空历史发展到高级阶段，其主要标志是人类社会开始进入航空超音速时代（飞机的航速达到或超过2倍音速，即2马赫），航空高新技术不断出现并综合应用。由于喷气发动机发展迅速，日益趋向于“三高”（高涵道比、高压缩比和高涡轮前温度），不仅使发动机的推力和推重比大大提高，而且耗油率和经济性也大为改善。军用飞机出现了俄罗斯的第五代和欧美的第四代战斗机。它们型式各异，但气动性能大致相近，在机动性、灵敏性和隐身方面有突出表现，航速最高达到3马赫以上；配装制导的空空、空地武器后，杀伤威力大大提高。在民用航空领域，最引人注目的是欧洲联合研制、2．2马赫的“协和”式超音速客机。战斗机进入所谓第二代、第三代阶段第二代战斗机（1958-1970）特点：高空高速第三代战斗机（1970-1990年代末）特点：高机动性第四代战斗机（21世纪初-今）隐身、推力矢量、高维护性、多操纵面MFX-1喷气式推进无线电遥控缩比验证机采用柔性蒙皮变形机翼，在185～220千米/小时的速度下成功地将翼展改变了30%，翼面积改变了40%，后掠角从15°改变到35°。其变形机翼技术与变几何机翼（变后掠翼）技术的不同之处在于，前者的机翼面积可通过弦长的增减独立于后掠角改变，而后者是通过改变后掠角，使一部分翼面收入或移出机翼固定部分或机身来实现机翼面积的改变。X-48B依靠多个操纵面来实现稳定和控制，机翼和机身的融合弯曲形后缘上设计有20个操纵面，并在每侧翼尖小翼上设计有方向舵。中央机体内装有一台数字式电传飞控系统计算机，控制一个或两个致动器驱动每个操纵面。飞行器发展趋势气动布局新颖，控制舵面多；飞行器飞行包线越来越大，机动性增强；采用创新控制手段；任务环境复杂。飞机的操纵面升降舵方向舵水平安定面缝翼襟翼副翼扰流板飞机的气动布局常规布局特点是有主机翼和水平尾翼，大的主机翼在前，小机翼也就是水平尾翼在后，有一个或者两个垂直尾翼常规布局中还有一个另类——变后掠翼布局主翼的后掠角度可以改变，高速飞行可以加大后掠角，相当于飞鸟收起翅膀，低速飞行时减小后掠角，展开翅膀。这种布局的优势在于可以适应高速和低速时的不同要求，起降性能好，缺点是结构的复杂性严重增加了飞机重量，随着发动机技术特别是矢量推力技术的不断发展和鸭翼的应用，这种布局逐渐趋于淘汰。无尾布局无尾布局的最大优点是高速飞行时性能优异，阻力小，结构强度大。由于没有水平尾翼，无尾布局大大减少了空气阻力，无尾布局的缺点是低速性能不好，这影响到飞机的低速机动性能和起降能力。另外无尾布局因为只能依靠主翼控制飞行，所以稳定性也不理想。鸭式布局这种气动布局其实就是无尾布局加个鸭翼，或者说是主翼缩小水平尾翼放大的常规布局。有了这个鸭翼，无尾布局的缺点得到明显改善，高速飞行时更加稳定，起降距离明显缩短，甚至机动性能比常规布局更加出色。三翼面布局这种布局其实就是常规布局加个鸭翼，或者说鸭式布局加个水平尾翼。这种气动布局的优势是又多了一个可以控制飞机的部位，三个机翼更好的平衡分配载重，机动性能更好，对飞机的操控也更精准更灵活，可以缩短起降距离。缺点是会增加阻力，降低空气动力效率，增加操控系统复杂程度和生产成本。飞翼布局这种布局简单说就是只有飞机翅膀的布局，看上去只有机翼，没有机身，机身和机翼融为一体。无疑这种布局是空气动力效率最高的布局，因为所有机身结构都是机翼，都是用于产生升力，而且最大程度低降低了阻力。空气阻力最小所以雷达波反射自然也是最小，所以飞翼布局是隐身性能最好的气动布局。飞翼布局的最大缺陷是操控性能极差，完全依赖电子传感控制机翼和发动机的矢量推力。前掠翼布局这种布局的特点是主翼前掠而不是后掠，不过虽然很早就开展了这种气动布局的研制工作，但是因为机翼前掠致命的稳定性问题导致这种技术一直只停留在研发阶段，没有得到实际应用。二、飞行控制系统发展简史飞行控制系统的基本构成飞行控制系统的作用飞行控制系统的发展历程（功能、传输介质）典型飞行控制系统的概念(阻尼器、增稳系统、控制增稳系统、电传系统)典型飞行控制系统的回路构成飞行控制系统的作用改善飞机飞行品质--阻尼器、增稳系统进行航迹控制–飞行指引监控和任务规划–飞行管理或战术管理系统飞行控制系统历史从传统的意义上讲,飞行控制的基本目的是改善飞机的稳定性和操纵性,减轻飞行员驾驶飞机的工作负担,从而提高执行任务的能力、效率和效果。在人机关系上,人始终处于主