中国国防科技网 http://www.8ltech.com 第一章绪论 §1.1飞行力学研究的内容 §1.1.1飞行力学学科的定义和作用 1·飞行力学学科的定义 飞行力学学科的定义有不同的说法,最一般的说法是飞行力 学是研究飞行器运动规律的学科,是应用力学的一个新分支。它 是按照力学的基本原理结合具体对象一—飞行器来分析、研究在 有控制或无控制情况下飞行器运动特性的一门学科。 首先考虑一下“飞行”这个词。飞行一词定义为穿过流体介 质和真空的运动,而“飞行器”一词是指由某种方式联结在一起 的任一飞行的物体。这样定义飞行和飞行器,则弹丸是最简单的 飞行器,可视为一个单一的理想刚体。前一架飞机可视为复杂的 飞行器,它包含一个机体主体、旋转部分(喷气发动机)、操纵部 分和液体部分。 按上述飞行器的定义,飞行器可分为弹丸、飞机(又分为各 种飞机,如直升飞机、歼击机、轰炸机、民用飞机等)、导弹(又 细分为各种类型的导弹,如弹道导弹、战术导弹、地空导弹、巡 航导弹等)和航天器〔又细分为卫星、飞船、航天飞机、星际探 测器等)。相应地就有外弹道学、飞机飞行力学、导弹飞行力学和 航天器飞行力学。也可叫飞机飞行动力学、导弹飞行动力学、航 天器飞行动力学,在本书中飞行力学和飞行动力学无区别,只是
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 习惯问题。但不管飞行器种类多么复杂,除了弹丸的外弹道学外, 可以统称上述各种飞行力学为飞行器飞行力学。 从力学观点来看,飞行器飞行力学与理论力学中的质点系动 力学并无木质的区别。理论力学给出一般力学对象作机械运动所 应遵循的普遍规律和描述其运动的微分方程。而飞行器的运动只 是其受的约束和外力性质方面存在某些特点,例如飞行器一般在 三维空问内运动;飞行器所受的外力与运动状态、飞行器构造及 变形等有关,如在大气层内飞行时的空气动力、喷气发动机的推 力与飞行状态有关;此外对有控飞行器而言,人们可以通过控制 改变飞行器的受力情况,进而改变它的运动规律。所以飞行力学 是根据力学的普遍规律,深入分析飞行器这一待定对象作机械运 动时的特殊规律,建立描述其运动的微分方程,揭示飞行器运动 的客观规律,并运用这些规律来解决工程实际问题。 因为飞行器的运动与飞行器所受的空气动力发动机推力、飞 行器弹性变形、改变其运动规律的控制力有密切关系,所以飞行 力学的发展很自然地与相应的学科发生了联系这些学科包括:空 气动力学、结构力学、推进技术、现代控制工程、经典力学和应 用数学。电子计算机的发展,又为飞行力学研究提供了有效和快 速的手段,促进了飞行仿真技术的发展,所有这些,大大的丰富 了飞行器飞行力学的研究内容。 随着航空航天技术的进步,飞行力学已经不单纯是一个力学 学科的分支,它与控制发生密不可分的联系。因此也可这样来定 义飞行力学 飞行力学是研究飞行器运动和引起这一运动的作用力之同相 互关系的学科。它与飞行器的工程设计和实际应用有非常密切的 关系。飞行力学是型号设汁、飞行器性能和使用条件、武器系统 的可靠性、精度、攻防对抗、飞行仿真、飞行试验和战斗使用的 理论基础。它已发展成为一门多学科交叉的综合性的学科。飞行
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 力学不仅涉及到刚体力学、弹性力学和空气动力学方面的广泛知 识,而且还要应用控制工程、系统工程、生物力学、计算机科学 和数理统计学科的最新成果。从广义上来讲,可以认为飞行力学 是研究飞行器在气动力、惯性力、弹性力和控制力作用下飞行器 运动规律以及这四种力之间相互关系的学科。也有人简单的定义 飞行力学是研究飞行器运动规律及其伴随发生现象的学科。为了 突出控制对飞行力学的作用也可以定义飞行力学是一门研究飞行 器运动、控制以及外力相互作用的技术学科。 由于飞行器是一个复杂的系统,描述其运动的微分方程组十 分复杂。如果不进行适当的简化,研究问题十分不方便,根据飞 行器运动特点,在工程上常将飞行器的运动分成质心运动和绕质 心运动两部分进行研究,相应地各种飞行器飞行力学也分为两部 分来研究,但名称各异 如飞机飞行力学将分析质心运动规律,确定飞机基本飞行性 能、续航性能、机动性能、起落性能和设计合理的飞行剖面称为 飞机飞行性能计算。而将研究飞机绕质心运动称为飞机飞行动力 学——飞机的稳定性和操纵性。它着重分析在外界扰动和操纵作 用下,飞机(刚体、质点系)的运动特性,即所谓飞机的飞行品 质。包括如何实现各种平衡飞行;平衡飞行状态受外界扰动后所 呈现的运动稳定性;以及飞机对于控制的反应等。 导弹飞行力学将分析质心运动规律的学科称为弹道学,此时 将导弹运动看成可控制质点的运动,即假定控制系统工作是理想 的,导弹的质量集中在质心上,在飞行的任一瞬间作用在导弹上 所有外力的合力矩为零,郎瞬时平衡假设。这样,研究作用在导 弹上的力和运动之间的关系,就可以求出质心运动轨迹,得到飞 行速度、位置、过载等飞行参数。而将研究绕质心运动规律的学 科称为导弹动态特性,也有其它称呼,如导弹姿态动力学、弹体 稳定性和操纵性等。此时将导弹当作质点系来研究其运动情况,不
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 仅要考虑作用在质心上的力,而且主要考虑绕质心作用的力矩,并 把导弹看成为控制系统的一个环节--控制对象,研究它的动态 特性,即在于扰作用下,能否保持原来的飞行状态,在操纵机构 作用下,导弹改变飞行状态的能力如何,也就是研究稳定性与操 纵性问题。因此导弹的动态分析也可称为导弹质点系动力学。导 弹的动态特性如果只考虑导弹弹体本身的动态特性,认为舵固定 或者以某种形式输人看飞行器运动参数变化称为弹体的动态特性 或弹体的稳定性和操纵性。如果考虑控制系统工作,研究导弹对 干扰的反应和有误差输人时的响应称为导弹的动态特性或导弹的 稳定性和操纵性、此时更多的是分析其落点精度或命中点精度,即 精度分析。 航天器飞行动力学还有其它名称,如航天器运动理论、航天 动力学,且更多的是用航天动力学。航天动力学称研究航天器质 心运动部分为轨道动力学或轨道力学,主要研究内容有轨道确定 轨道摄动、轨道设计及优化、轨道测量、变轨控制及轨道机动、轨 道保持、交会对接、再入和着陆轨道。而将研究绕质心运动部分 称为航天器姿态动力学,实际上也可以称为航天器稳定性和操纵 性,主要研究内容有姿态确定、姿态保持和姿态控制等。在航天 动力学和控制书刊中有自己一套术语:轨道控制和姿态控制,简 称轨控和姿控。姿态控制是对航天器绕其质心的转动角和转动角 速度的控制,而轨道控制是对航天器质心位置和速度的控制。轨 道控制又可分为导航和制导两部分,导航的任务是确定航天器在 .飞行轨迹上的位置和速度。制导的任务是按一定的制导规律控制 航天器按要求的飞行轨迹运动 2.飞行力学的作用 飞行力学是研究飞行器运动规律的学科。它与飞行器的工程 设计和实际应用有着非常密切的关系。 ①飞行力学是型号设计的重要理论基础
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com ②飞行力学决定飞行器的飞行性能、使用条件。与飞行器的 总体设计、制导和控制系统设计、结构设计有密切的关系。是新 型号设计和改进飞行器性能的关键技术之一; ③飞行力学是研究飞行器的可靠性、精度、攻防对抗、作战 效能和飞行规划的理论基础; ④飞行力学是飞行器CAD、飞行仿真和飞行试验的理论基 础 飞行力学是研究飞行器作为武器时战斗使用问题的理论基 础。 关于飞行力学的作用,中国科学院和中国工程院恍士顾诵芬 总结为:飞行器能否达到预期的战术技术性能、能否易于操作和 安全使用,其评定最直接的手段是靠飞行力学的研究 飞行力学与其它学科的关系和作用如图1-1所示 [空气动力学 刚体力学 飞行器 设计 弹性结构力学 行动力学 飞行番 控制工程 驾驶 仿真技术 训练 应用数学,计算机 质心运动稳定性和操纵精度分析 性姿态动力学 图1-1学科关系方块图
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