飞机的性能、稳定性、动力学与控制

AIAA航空航天技术丛书-美国航空航天协会重点系列丛书

本书对于从事飞机及其系统和重要部件设计的人员、院校相关专业高年级学生与研究生都是极有价值的参考书或参考教材。

 

《飞机的性能、稳定性、动力学与控制》代表了航空工程课程的一种新颖的教学方法,它全面完整地剖析了几个相互关联的学科。本书反映了作者多年的教学经验和作为NASA兰利研究中心高级研发工程师的咨询工作背景。书中包含空气动力学、动力学、控制系统的所有必要的背景材料,通过使用草图、例题和设计练习来讨论基本原理。它把读者从莱特兄弟时代带到了现代战斗机过失速迎角飞行的时代。

 

美国航空航天学会 American Institute of Aeronautics andAstronautics（AIAA）

于1963年由美国火箭学会和美国宇航科学学会合并而成，其前身可分别追溯到1930年和1932年，AIAA的使命是推动航空学和航天学领域中科学、技术、工艺的进步，并培养和鼓励那些为此事业而奋斗的人们的专业精神。发展至今，AIAA已经是全球**的致力于航空、航天、国防领域的科学和技术进步和发展的专业性的非政府、非赢利的学会。AIAA在国际标准组织（ISO）中担任太空系统和运营（TC 20-SC14）书记处，同时是美国国家标准所认定机构。同时，AIAA格外重视国际间的合作，是世界众多国家发展航空太空的催化剂：它将来自各方的个人、企业、学术机构及政府联合起来共同评估及改进航天工业的状况；它在技术领域中对外展开交流，成立专门项目开展教育活动，成为国际问题开展客观讨论的论坛。其超过30,000名的会员中，来自学术界、政府部门和工商界的人员各占1/3。AIAA还是世界上具有规模的航空航天出版机构之一，被公认为是早期航空航天文献的重要资源之一，拥有*早可回溯至20世纪初的文献。在70多年的发展中，AIAA出版了1000多种出版物和300,000篇会议论文，包括期刊、杂志、系列图书、美国和国际标准。AIAA出版的出版物在世界范围内赢得崇高声誉，成为了解航空航天历史变革、科研成果和未来发展的重要信息来源。

此套AIAA系列图书为美国航空航天学会重点图书。

 

 

本书全面介绍空气动力学、飞机性能和定常飞行的静平衡和操纵等方面的基本理论;推导了飞机动力学方程和纵横分离的运动方程,并引入了稳定导数的概念;讨论了增稳系统和自动驾驶仪的设计、飞机响应和闭环控制方法和惯性耦合、飞机尾旋和大迎角问题。本书凝聚了作者多年的教学经验,是航空工程专业教学方法创新。它全面完整地剖析了空气动力学、动力学、控制系统几个相互关联的学科,通过使用示意图、例题和习题等方式阐述基本原理,使之更加清晰生动。

商重阳，西北工业大学航空学院教授，多年从事飞机飞行性能的研究工作。发表了《过载曲线及其在比较飞机机动性中的应用》、《基于VEGA舰载机滑跃起飞视景仿真的实现》等论文

 

目 录

第1章 基本空气动力学原理回顾                  

1. 1 引言                           

1. 2 流过机翼和机身的流体介质                

 1. 2. 1 流动分离                           

 1. 2. 2 圆柱绕流                           

1. 3 阻力                            

1. 4 机翼参数                        

 1. 4. 1 截面参数                         

 1. 4. 2 机翼平面形状参数                      

1. 5 机翼截面的气动特性                     

 1. 5. 1 气动中心                         

 1. 5. 2 气动中心和压力中心之间的关系                 

 1. 5. 3 机翼截面的失速                       

 1. 5. 4 增升装置                         

1. 6 有限翼展机翼的气动特性                   

1. 7 减少诱导阻力的方法                     

1. 8 翼尖涡的形成和危害                     

1. 9 可压缩流                         

1. 10 超声速流动中的气动力                      

1. 11 临界马赫数                         

 1. 11. 1 薄翼型                          

 1. 11. 2 小展弦比机翼                       

 1. 11. 3 超临界翼型                        

 1. 11. 4 斜掠机翼                          

 1. 11. 5 后掠机翼                         

 1. 11. 6 三角翼                          

 1. 11. 7 前掠翼                          

 1. 11. 8 斜置翼                          

1. 12 面积律                            

1. 13 总结                             

参考文献                              

习题                               

第2章 飞机性能                           

2. 1 引言                              

2. 2 铅垂平面内的飞行运动方程                  

2. 3 滑翔                            

2. 4 水平飞行                         

 2. 4. 1 螺旋桨飞机水平飞行的解析解                 

 2. 4. 2 喷气式飞机的解析解                     

2. 5 爬升飞行                          

 2. 5. 1 定常爬升                         

 2. 5. 2 静升限和实用升限                      

 2. 5. 3 能量爬升法                         

2. 6 航程与航时                           

 2. 6. 1 喷气式飞机的航程                      

 2. 6. 2 螺旋桨飞机的航程                       

 2. 6. 3 风对航程的影响                        

 2. 6. 4 巡航高度的估算                        

 2. 6. 5 巡航爬升中上升高度的近似估计                 

2. 7 航时                             

 2. 7. 1 喷气式飞机的航时                      

 2. 7. 2 螺旋桨飞机的航时                      

2. 8 盘旋飞行                          

 2. 8. 1 盘旋飞行的运动方程                      

 2. 8. 2 水平面内盘旋飞行                      

 2. 8. 3 水平面内的协调盘旋飞行                    

 2. 8. 4 一般盘旋飞行                       

2. 9 起飞和着陆                        

 2. 9. 1 起飞                          

 2. 9. 2 着陆                          

2. 10 起飞和着陆时的危险:风切变和微暴流           

2. 11 小结                           

参考文献                            

习题                              

第3章 静稳定性与操纵性                      

3. 1 引言                           

3. 2 平衡与稳定性的概念                    

3. 3 纵向静稳定性                      

 3. 3. 1 机身的贡献                        

 3. 3. 2 机翼的贡献                        

 3. 3. 3 翼身组合体的贡献                     

 3. 3. 4 平尾的贡献                        

 3. 3. 5 动力的影响                        

 3. 3. 6 全机纵向稳定性                      

 3. 3. 7 握杆中性点                        

 3. 3. 8 平尾的配平升力                       

 3. 3. 9 纵向操纵                        

 3. 3. 10 重心前限                        

 3. 3. 11 重心的允许范围                      

 3. 3. 12 地面效应                        

 3. 3. 13 松杆纵向稳定性                      

 3. 3. 14 气动补偿                        

 3. 3. 15 松杆中性点                       

 3. 3. 16 松杆裕度                        

 3. 3. 17 配平调整片                       

 3. 3. 18 确定飞行中的中性点                    

 3. 3. 19 稳定平飞中的杆力                     

3. 4 机动飞行中的稳定性                    

 3. 4. 1 垂直拉升                        

 3. 4. 2 水平盘旋                        

3. 5 航向稳定性                        

 3. 5. 1 航向稳定性判据                      

 3. 5. 2 航向静稳定性估算                     

 3. 5. 3 动力的影响                        

 3. 5. 4 方向舵固定时的航向稳定性                   

 3. 5. 5 航向操纵                        

 3. 5. 6 松舵航向稳定性                      

 3. 5. 7 脚蹬力                         

 3. 5. 8 自动上舵                         

3. 6 横向稳定性                        

 3. 6. 1 横向稳定性判据                      

 3. 6. 2 横向稳定性估算                      

 3. 6. 3 总横向静稳定性                      

 3. 6. 4 横向操纵                        

3. 7 小结                          

参考文献                            

习题                              

第4章 运动方程与稳定性导数估算                  

4. 1 引言                            

4. 2 坐标轴系                         

 4. 2. 1 惯性系                    

 4. 2. 2 地面固定坐标系               

 4. 2. 3 航迹坐标系                     

 4. 2. 4 机体轴系                      

 4. 2. 5 坐标变换                        

 4. 2. 6 欧拉角速度                        

 4. 2. 7 方向余弦矩阵方法                     

 4. 2. 8 四元数法                        

4. 3 运动方程与动轴系的概念                   

 4. 3. 1 动轴定理                        

 4. 3. 2 速度与加速度的表达式                   

 4. 3. 3 飞机动力学方程                      

 4. 3. 4 小扰动运动方程                      

 4. 3. 5 气动力与力矩估算                      

4. 4 稳定性导数估算                      

 4. 4. 1 纵向系数的估算                       

 4. 4. 2 横航向导数的估算                     

4. 5 总结                           

参考文献                           

习题                              

第5章 线性系统、理论及设计:简要回顾               

5. 1 引言                          

5. 2 拉普拉斯变换                       

5. 3 传递函数                         

5. 4 系统响应                         

 5. 4. 1 一阶系统响应                       

 5. 4. 2 二阶系统响应                       

 5. 4. 3 最小相位系统与非最小相位系统                

5. 5 单位反馈系统的稳态误差                 

5. 6 频域响应                        

5. 7 闭环系统的稳定性                     

 5. 7. 1 劳斯稳定判据                      

 5. 7. 2 根轨迹法                       

 5. 7. 3 奈奎斯特稳定判据                     

 5. 7. 4 增益裕量与相位裕量                    

5. 8 时域与频域参数间的关系                  

5. 9 补偿器设计                         

 5. 9. 1 比例积分补偿器                       

 5. 9. 2 比例微分补偿器                     

 5. 9. 3 超前—滞后补偿器                      

 5. 9. 4 比例—积分—微分控制器                   

 5. 9. 5 反馈补偿                         

5. 10 状态空间分析与设计                     

 5. 10. 1 状态变量的概念                      

 5. 10. 2 状态空间表达式                      

 5. 10. 3 状态变换矩阵                      

 5. 10. 4 可控性与可观性                      

 5. 10. 5 相变量形式                       

 5. 10. 6 由微分方程到相变量形式的变换                

 5. 10. 7 由通用状态空间表达式到相变量形式的变换            

 5. 10. 8 由传递函数到相变量形式的变换                

 5. 10. 9 极点配置方法                       

 5. 10. 10 对偶相变量形式                     

5.10.11由传递函数到对偶相变量形式的变换             

 5. 10. 12 状态观测器设计                      

5. 11 小结                            

参考文献                             

习题                               

第6章 飞机响应与闭环控制                     

6. 1 引言                            

6. 2 纵向响应                          

 6. 2. 1 短周期近似                        

 6. 2. 2 长周期近似                        

 6. 2. 3 短周期和长周期模态近似的准确性                

 6. 2. 4 静态稳定性对纵向响应的影响                 

 6. 2. 5 纵向传递函数                        

 6. 2. 6 纵向频率响应                       

6. 3 横航向响应                        

 6. 3. 1 横航向近似                        

 6. 3. 2 横航向近似的准确性                     

 6. 3. 3 横航向传递函数                      

 6. 3. 4 横航向频率响应                      

6. 4 飞行品质                         

 6. 4. 1 纵向飞行品质                       

 6. 4. 2 横航向飞行品质                       

6. 5 闭环飞行控制                       

 6. 5. 1 俯仰增稳系统                        

 6. 5. 2 纵向增稳系统的全状态反馈设计                 

 6. 5. 3 偏航阻尼器                         

 6. 5. 4 横航向增稳系统的全状态反馈设计                

 6. 5. 5 自动驾驶仪                         

6. 6 总结                           

参考文献                            

习题                              

第7章 惯性耦合和尾旋                       

7. 1 引言                           

7. 2 惯性耦合                         

 7. 2. 1 滚转运动中的偏航和俯仰发散                 

 7. 2. 2 飞机稳定滚转的运动方程                  

 7. 2. 3 预防惯性耦合                        

7. 3 机翼和机身的自转                      

 7. 3. 1 机翼自转                        

 7. 3. 2 机身自转                         

7. 4 飞机尾旋                         

7. 5 稳定尾旋的运动方程                   

 7. 5. 1 稳态尾旋的力平衡                    

 7. 5. 2 力矩平衡                      

7. 6 尾旋改出                         

7. 7 通过修形提高抗尾旋能力                 

 7. 7. 1 机翼修形                    

 7. 7. 2 机身修形                     

7. 8 总结                          

参考文献                           

习题                              

第8章 大迎角稳定性和控制问题                   

8. 1 引言                           

8. 2 简要历史概述                       

8. 3 大迎角问题概述                   

8. 4 大迎角下的三角翼                   

 8. 4. 1 涡破裂和失速                      

 8. 4. 2 涡破裂的控制                       

8. 5 前缘延伸                         

8. 6 大迎角下的前机身                    

 8. 6. 1 雷诺数的影响                      

 8. 6. 2 前机身几何形状的影响                   

 8. 6. 3 前机身和机翼涡流场的相互作用               

8. 7 迎角、侧滑角、滚转角的关系             

8. 8 机翼晃                         

 8. 8. 1 三角翼模型的机翼晃                 

 8. 8. 2 流动机理                        

 8. 8. 3 涡破裂的影响                       

 8. 8. 4 侧滑的影响                       

8. 9 三角翼的滚转吸引子                   

8. 10 前机身诱发的机翼晃                   

 8. 10. 1 前机身几何形状的影响                  

 8. 10. 2 前机身诱发机翼晃的物理流动机理             

8. 11 机翼晃抑制                       

 8. 11. 1 被动的气动方法                     

 8. 11. 2 机翼晃的主动控制                   

8. 12 副翼操纵反效和航向偏离              

 8. 12. 1 副翼操纵反效                     

 8. 12. 2 航向偏离                        

 8. 12. 3 偏离准则的运用                    

8. 13 大迎角的控制思想                     

 8. 13. 1 抬头                         

 8. 13. 2 绕速度矢滚转                     

 8. 13. 3 低头                         

 8. 13. 4 前机身涡控制                     

 8. 13. 5 推力矢量控制                      

8. 14 总结                           

参考文献                           

附录1 标准大气                         

附录2 拉普拉斯变换表                       

附录3 克拉默法则                        

附录4 美国惯用单位制和国际单位制的转换           

参考文献