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大氣層飛行動力學

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研究飛行器在大氣層內飛行的運動規律的學科,簡稱飛行力學。飛機、直升機、導彈、太空梭、人造地球衛星和其他航天器的運載火箭等,都要在大氣層中飛行。

1 大氣層飛行動力學 -大氣層飛行動力學

 

2 大氣層飛行動力學 -正文

  研究飛行器在大氣層內飛行的運動規律的學科,簡稱飛行力學。飛機、直升機、導彈、太空梭、人造地球衛星和其他航天器的運載火箭等,都要在大氣層中飛行。大氣層飛行動力學直接為這些飛行器的總體設計服務,它對於新型飛行器的研究設計、飛行性能的改善和航天技術的發展都有重要的作用。
  學科內容  大氣層飛行動力學所研究的問題主要是飛行器的飛行性能和飛行器的動態特性。
  飛行器飛行性能  與飛行器質心運動有關的問題,如飛行速度、飛行高度、航程(射程)、起飛、著陸、機動飛行、導引彈道、發射和再入大氣層的航跡等。對於這類問題,可將飛行器作為一個可控質點來處理。
  飛行器動態特性  飛行器保持和改變飛行狀態的能力,即飛行器的穩定性和操縱性(見飛行器動態特性)。對於這類問題,必須研究飛行器繞質心的旋轉運動,這時應將飛行器視作質點系──剛體或彈性體來處理。
  研究飛行器在大氣層內飛行的這兩類問題,都必須知道作用在飛行器上的外力。這些外力,除發動機推力和飛行器重力外,主要是作用在飛行器各部件上的空氣動力。
  相關學科  大氣層飛行動力學以理論力學、空氣動力學、控制理論、應用數學和計算機技術作為主要的理論基礎和研究工具。
  研究方法  分理論研究和實驗研究兩方面。
  理論研究和數值解法  飛行器在大氣層內的運動規律可以用數學模型來描述,即列出飛行器的運動方程。飛行器的運動方程組由飛行器質心運動方程、繞質心轉動的運動方程、 質量變化方程、 運動學關係式、位置和角度關係式以及控制約束方程所組成。通常,這種描述飛行器運動的數學模型是變係數、非線性微分方程組,因此大多數問題需要用數值解法才能求解。
  在求解大氣層飛行動力學問題時,利用某些簡化的假設(如小擾動、線性化等)可以得到一些簡易的解析解,這些解析解對於初步分析飛行力學問題的物理現象和物理本質是有意義的。假設飛行器無慣性,控制系統理想工作,則飛行器質心運動可以與飛行器繞質心的轉動分開來研究。如果飛行器的外形和質量分佈相對於它的縱向平面是對稱的,飛行器原先運動在對稱平面內,略去飛行器轉動部件的陀螺力矩效應,則對於小擾動運動,可以將縱向運動和橫側運動分開來研究,從而使飛行器的運動分析大為簡化。但是,對於飛行器的大多數運動情況,縱向和橫側運動是難以分開的。求解飛行器的運動方程組也十分困難。
  計算機技術的發展,對飛行力學有很大的促進。利用電子計算機可以進行飛行航跡(彈道)和飛行性能的計算,動態特性的分析和解決大量的複雜的非線性飛行力學問題。
  實驗研究  常用的手段有風洞實驗、自由飛模型試驗、飛行試驗和飛行模擬器等。
  ①風洞實驗:見風洞實驗技術。
  ②自由飛模型試驗:飛行器模型從飛機上投放或由火箭作動力發射,應用專門的記錄儀器、攝影機和其他遙測、遙控設備測量模型的運動參數,並控制其飛行狀態。這種試驗特別適宜於研究不易在風洞中模擬的一些項目,如尾旋、顫振、舵面效率、動穩定性和氣動加熱等。
  ③飛行試驗:見飛機飛行試驗、火箭(導彈)飛行試驗。
  ④飛行模擬器:又稱飛行模擬器,有空中飛行模擬器和地面模擬器等。它主要用來研究飛行員和飛行器配合問題,是訓練飛行員和研究飛行器操縱品質的重要設備,它對研究航天技術,如航天器再入大氣層,也是一種重要研究手段。
  學科發展  20世紀60年代以來,先後出現了下列新的課題:
  ①彈性飛行器飛行動力學:高速飛行器一般是薄翼的細長體的彈性結構,因此有可能產生氣動力和結構彈性的相互作用,即靜態和動態耦合現象。瞬時機動或陣風也會使彈性飛行器呈現動態氣動彈性現象。對於大型飛行器,由於彈性彎曲振動頻率較低,有可能與控制系統產生耦合作用,而導致飛行的不穩定;耦合振動甚至可能折斷飛行器結構。因此研究彈性振動問題對設計新型飛行器具有重要的現實意義(見氣動彈性力學)。
  ②大迎角非線性飛行動力學:在研究大機動、大過載飛行(如格鬥彈)及大擾動(如急滾慣性耦合)時的飛行器的運動特性及其穩定性和操縱性等問題中,必須考慮運動方程的非線性和氣動力的非線性影響。
  ③飛行力學領域中的最優化問題:隨著電子數字計算機向高速、小型化發展,現代控制理論已能有效地用來解決飛行力學領域中的許多最優化問題,如飛行器飛行性能中的航程、起飛、著陸和爬升的最優化方案的選擇問題;最優化攔截路線問題;火箭的最優化推力程序問題;最優化軌道問題;彈性飛行器的最優化控制問題;再入大氣層的軌道選擇問題。其他如利用試驗數據,識別飛行性能和飛行力學的各種參數(包括氣動導數),即所謂飛行力學的逆問題也得到了發展。
  ④主動控制技術:70年代以來,出現了隨控布局飛機,主動控制技術獲得了很大發展。如為了減輕飛機重量,或降低飛機阻力,利用增穩裝置來降低飛機的靜穩定度要求;或利用直接升力控制來有效地操縱飛行軌跡和姿態;或利用主動控制來有效地抑制顫振,或減緩陣風的影響等。
  ⑤研究風切變和大氣湍流的數學模型及其對飛行的影響。

 

3 大氣層飛行動力學 -配圖

 

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