飞行动力学-飞机飞行性能计算

飞行动力学——飞机飞行性能计算?正常起飞重量(kg)23000202121524015740最大起飞重量(kg)33000308451850025402实用升限(m)18000183001700015240最大平飞M数2.352.52.31.8最大使用过载97.3397.5起飞滑跑距离(m)450274250427着陆滑跑距离(m)6201067600670对空作战半径(km)150012701200740转场航程(km)3680(机内油)463129003706几种战斗机性能表Su-27F-15CMig-29F-18C(不用减速伞)飞行动力学／FlightDynamics•按力学基本原理结合具体对象（飞机）来分析、研究其在有控制或无控制情况下的运动特性。•飞行动力学是一门综合性的应用力学。•目的是为了评估飞机的使用（作战）性能、飞行的安全性、及驾驶员实现预定性能的难易程度。例如：–满足安全飞行的需求–满足预定的战术技术指标（高度、速度、航程、载荷……）飞行力学的研究内容／分支内容研究问题数学模型飞行性能飞机在外力作用下质心的运动规律，飞机的极限飞行能力质点（三自由度）操纵性稳定性外界扰动或操纵下的飞机的运动特性，飞机保持和改变飞行状态的能力刚体（六自由度）气动弹性结构弹性平衡和飞机结构在极短时间内的反应特性，如结构发散、颤振弹性体飞机飞行性能•检验飞机设计方案是否能够满足设计使命，能否满足预定的预定的战术技术要求•通过具体参数来表征飞机在各飞机阶段的飞行能力，例如：–飞机的最大／最小飞行速度–飞机的升限–上升率–加减速时间–给定高度的航程•通常比较飞机的极限飞行能力计算分析本课程的主要内容•飞机性能计算的原始数据，气动／推力／重力•飞机的基本飞行性能，定常直线飞行的高度、速度、上升率等•飞机的续航性能，最大飞行时间和距离•飞机的机动飞行性能，转弯／筋斗等•飞机的起飞和着陆性能，起飞／着陆距离、时间•飞机的任务性能，飞行剖面第一章飞机飞行性能计算所需的原始数据飞行过程中的受力分析及角度定义(一)P发动机推力Y升力Q阻力G重力jfd发动机安装角a迎角q航迹倾角J俯仰角V飞行速度水平线qaYGQPVjfdJ发动机发动机安装角3º2º机身轴线发动机轴线发动机尾喷口轴线相对于发动机轴有5°夹角定直平飞的受力分析水平线aYGQPVx定常直线水平飞行受力分析及角度定义(二)P发动机推力Z侧力Q阻力b侧滑角Y偏航角Ys航向角V飞行速度V北bQZPs受力分析及角度定义(三)YGZY升力Z侧力G重力滚转角重力G•重力大小：G=mg–m飞机质量•飞机质量随燃油消耗／外挂投放等变化•性能计算过程中，飞机质量通常取常值–g重力加速度•重力加速度与地理位置／飞行高度相关，但变化很小•通常取9.81•重力方向：铅垂向下大气结构对流层同温层／平流层中间层热层／电离层标准大气海平面大气参数：H=0mT=288.15Kp=101325Nm-2r=1.225kgm-3g=9.80665ms-2气动力：Y/Q/Z•气动力可以分解为Y/Q/Z三个力qSCZqSCQqSCYzxy221Vqr•其中q为动压•其中S为机翼参考面积23386252.5/62.356.527.937.2465常见飞机的参考面积Mig-21/J-7Mig-29Su-27F-14F-15F-16F-18B-2升力特性jaajayyyCCC)(0Cy为升力系数，取决于飞机的气动布局（翼型、机翼平面形状、襟翼偏角、平尾偏角等）及飞行状态（高度、M数、迎角等），在小迎角范围内：其中Cjy为平尾偏转引起的升力系数变化，j为平尾偏角，通常Cjyj这一项的值比较小，可以忽略Cay称为升力线斜率升力方向：飞机对称面内垂直于飞行速度方向qSCYy升力大小：升力曲线-1001020304050-0.50.00.51.01.52.0Cya某第二代战斗机采用对称翼型a0=0a0M数对升力曲线的影响05101520250.00.51.01.52.0M=0.0M=0.8M=1.0M=1.2M=1.7Cya大迎角区的升力特性010203040500.00.51.01.52.0CymaxCyddCyyxCysxCyaCymaxCyddCyyxCysxaljaddayxasxCymax最大升力系数alj临界迎角Cysx失速升力系数asx失速迎角Cyyx最大允许使用升力系数ayxCydd抖动升力系数addMig-21/J-71.16(Cydd=0.65)Mig-291.35Su-271.85F-161.4常见飞机的Cymax展弦比对升力系数的影响阻力的产生•阻力按照产生的原因分类–摩擦阻力–压差阻力–诱导阻力–干扰阻力–零升波阻–升致波阻•阻力按照与升力是否相关可分为–升致阻力（诱导阻力、升致波阻）–零升阻力（摩擦阻力、压差阻力、干扰阻力、零升波阻）阻力特性阻力系数和升力系数的关系Cy-Cx曲线称为升阻极曲线，这条曲线通常可以写成抛物线的形式：200yxxixxACCCCC其中：Cx阻力系数Cx0零升阻力系数Cxi升致阻力系数A诱导阻力因子对称翼型升阻极曲线0.000.020.040.060.080.100.120.00.20.40.60.81.01.21.41.6M=0.4M=0.8M=1.0M=1.2M=1.7CyCx低速时极曲线变化不大零升阻力系数0.40.60.81.01.21.41.61.82.00.000.010.020.030.04Cx0M升致阻力因子0.40.60.81.01.21.41.61.82.00.00.10.20.30.4AM升阻比KxyCCKCyylCxCy升阻比：最大升阻比Kmax对应的Cy称为有利升力系数Cyyl最大升阻比KmaxyyxyxACCCCCK010)(20ACCCCdCdyxyxyACCxyyl00max21xACK给定速度的最大升阻比最大升阻比Kmax0.00.51.01.52.00246810121416KmaxM亚音速超音速Mig-1514.6Mig-21/J-78.44.7Mig-29124.2F-8614F-49.84.13F-1610.84.2B-5219高空长航时30常见飞机的最大升阻比现代飞机上常用的发动机涡喷涡扇发动机（涡喷／涡扇）推力油耗油门－转速飞行速度飞行高度推力—转速4050607080901000510152025303540P/kNn/%发动机的几种工作状态•加力•最大•额定•巡航•慢车推力—速度0.00.51.01.52.02.5024681012P/kNM某飞机在11km高空的全加力推力随M数变化曲线推力—高度024681012024681012141618H/kmP/kN不同高度下，大气温度、密度不同，因而推力不同。H11km时，温度不变，推力与密度有如下关系：1111rrPP可用推力Pky•发动机安装在飞机上会带来推力损失Pky=hP•通常最大状态或加力状态的推力对性能计算比较重要，所以可用推力一般是指发动机（一台或多台）安装在飞机上之后，其最大推力或全加力推力•不同高度下，可用推力随M数变化的曲线称为可用推力曲线可用推力曲线0.00.51.01.52.02.5051015H=0kmH=3kmH=5kmH=8kmH=11kmPky/kNM可用推力曲线0.00.51.01.52.00246810H=0kmH=3kmH=5kmH=8kmH=11kmPky/kNM耗油率0.00.51.01.52.00.10.20.3qNh/kgN-1h-1M耗油率qNh：发动机产生每牛顿推力在每小时内消耗的燃油质量小时耗油率0.00.51.01.52.005000100001500020000250003000035000qh/kgh-1M小时耗油率qh：飞机每小时消耗的燃油质量iPqqNhh耗油率—高度qNhH11km耗油率—转速qNhn巡航转速转速特性曲线qNhPn=80%90%95%100%M=0.10.51.01.5典型发动机特性起飞推力kN巡航耗油率kg/(kgh)推重比飞机F100-PW-229129.40.6477.7F-16C/DF-15EF119-PW-200155.70.6110F-22AL-31F122.580.7798.17Su-27WS-991.260.6795.05FBC-1WP13AII63.450.885.28J-8II关键词•飞行动力学FlightDynamics•飞行性能FlightPerformance•标准大气StandardAtmosphere•涡喷／涡扇发动机Turbojet/TurbofanEngine•极曲线Polar