飞机在空中运动的自由度空气动力和空气动力参数飞行原理课

飞机在空中运动的自由度空气动力和空气动力参数主讲人：徐峰《飞行原理》目录contents01.飞机在空中运动的自由度02.空气动力和空气动力参数飞机在空中运动的自由度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作一个刚体(不考虑机体的弹性变形)，全部质量都集中在飞机重心上,用飞机重心的运动轨迹代替整架飞机的运动轨迹。这样，飞机的任何一种运动都可以分解成全机随着重心的移动和绕重心的转动。飞机机体以及飞机上装载的所有设备、燃油、货物、乘员等的重力之和叫做飞机的重力，用符号W表示。飞机重力的作用点叫做飞机的重心。因为飞机机体结构和机上装载基本左右对称,所以，飞机重心在机体对称面内。飞机在空中运动的自由度“”研究飞机运动时选取机体坐标O(Xt

Yt

Zt)是与机体固连，随机体一起运动的坐标系。它的原点位于飞机的重心O，Oxt，称为纵轴，平行于机身轴线,指向机头；OYt，称为立轴(竖轴)，在飞机对称面内，垂直于Oxt，轴，指向座舱上方；0Zt，称为横轴，垂直飞机对称面，指向右翼，如图所示。飞机机体坐标系飞机在空中运动的自由度飞机重心移动的自由度有三个：分别是沿X轴、Y轴和Z轴的平移；机体绕重心转动的自由度也有三个：分别是绕X轴的滚转、绕Y轴的偏航和绕Z轴的俯仰。如图所示。这样，飞机在空中运动的自由度共有六个。飞机绕全机重心转动的三个自由度（a）滚转（b）偏航（c）俯仰空气动力和空气动力参数空气动力和空气动力参数空气动力是飞机相对空气有运动速度时,空气作用在飞机机体上的力。在本章中，要讲述的是飞机飞行运动的规律，而作用在飞机表面上的气动载荷的大小、分布及其变化规律对飞机的飞行运动起着决定性的作用。和研究飞机运动规律的方法相对应,我们将分布作用在飞机机体.上的气动载荷向全机的重心简化，得到一个作用在全机重心的合力和一个合力矩。这一合力和合力矩对飞机随全机重心移动和绕重心转动的刚体运动效果,与作用在机体，上的分布气动载荷的效果完全相同,却可以使问题的研究大大简化。空气动力和空气动力参数作用在飞机重心的气动力合力是一个矢量，可以将它分解为升力、阻力和侧向力。分别用L、D、Z来表示。气动力三个分量的表达式分别为：式中:CL、CD、CZ是全机气动力系数。分别为升力系数、阻力系数和侧向力系数。都是无量纲量；（1/2）ρυ²是飞机飞行的动压；S是机翼的面积。空气动力和空气动力参数

按照前面的讲述，气动升力L应该在垂直流方向上，阻力D应该在平行来流的方向上，而侧向力Z应该在垂直升力和阻力的方向上。所以，将作用在飞机重心的气动力合力分解为升力、阻力和侧向力时，应选取以全机重心为原点的气流坐标系。气流坐标系的纵轴Xq沿来流方向指向前，立轴Yq在飞机对称面内，垂直于纵轴Xq，指向飞机的上方，横轴Zq垂直于纵轴和立轴组成的平面，指向飞机的右侧。但在绝大多数的飞行情况中，飞机不会相对空气产生侧向运动，也就是说，相对来流都在机体的对称面内，基本是沿机体纵坐标OXt方向，即使与纵坐标轴OXt之间有夹角,角度也比较小。空气动力和空气动力参数气动力向飞机重心简化得到的合力矩Mx。合力矩是一个矢量，沿机体坐标系分为三个矢量，分别是:沿Xt轴的分量，使飞机绕Xt轴产生滚转运的滚转力矩Mx；沿Yt轴的分量，使飞机绕Yt轴产生偏航运动的偏航力矩My；和沿Zt轴的分量，使飞机绕Zt轴俯仰运动的俯仰力矩Mz。空气动力和空气动力参数式中:Mx、My、Mz分别是滚转力矩、偏航力矩和俯仰力矩;mx,my,mz为全机气动力矩系数，分别是滚转力矩系数、偏航力矩系数和俯仰力矩系数，都是无量纲量；(1/2)ρυ²为飞机飞行的动压；

S为机翼