飞机六自由度飞行动力学仿真试验.pdf

1 飞机六自由度飞行动力学仿真实验 一实验目的 1本实验将理论力学课程教学内容与航空航天工程应用相结合，分析、研究飞 机受力与六自由度运动特性，培养学生分析问题和解决问题的能力，展现理 论力学知识在航空航天工程中的应用。 2通过本实验，使学生更好地学习和理解理论力学的有关内容，如飞机的受力 分析、空间力系的简化与合成、刚体的平面运动与一般运动、刚体微分方程 的建立与求解等，激发学生对理论力学的学习兴趣，开阔视野，增强工程概 念。 二实验仪器与设备 实验在 PC 个人计算机、 WINDOWS 98 以上操作系统环境中进行。 三实验原理 飞机在空中的运动，在一定的假设条件下，可以视为理想刚体的运动，遵 循刚体的运动规律，理论力学中介绍的刚体平动和转动基本定律都适用于飞行 器的运动分析。飞机在空中的运动为刚体的一般运动，具有六个自由度。通常 建立的机体坐标系如下图所示。 飞机的一般运动可以分解为随质心的平动和绕质心的转动，随质心的平动 的速度可表示为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = W V U V G ，绕质心的转动角速度可表示为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = R Q P G 。飞机受到 的气动力、发动机推力、重力是一个空间任意力系，向质心简化的主矢和主矩 2 分别为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = Fz Fy Fx F G 和 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = Mz My Mx M G 。根据质心运动定理（牛顿方程）和相对于质心的 动量矩定理可得飞机的动力学微分方程，一般说来，该方程没有解析解，只能 通过数值积分得到数值解。 系统分为“概念演示”与“f16 实时仿真”两大模块。在“概念演示”模 块中着重介绍了飞机运动的自由度、单自由度下的操纵与响应特性。在“f16 实时仿真”模块中介绍了飞机定直平飞、盘旋、拉起、起飞、着陆、失速尾旋 等的飞行过程及受力情况，学生也可以亲自驾驶这架F16 进行实时仿真飞行。 四实验步骤 1概念演示 六自由度演示：点击菜单“概念演示-六自由度演示”，进入六自由度演示 状态，如下图所示。飞机参考坐标系为固连于飞机的机体坐标系，将运动向机 体轴系 XYZ分解，可分为随质心平动的3 个自由度与绕质心坐标轴转动的3 个 自由度。 滚转控制：点击菜单“概念演示 - 滚转控制”，进入滚转单自由度演示状 态。拖动“副翼作用力矩”的滑动条，可以改变副翼产生的力矩Ma，拖动“滚 转阻尼系数”的滑动条，可以改变滚转阻尼系数k。 俯仰控制：点击菜单“概念演示 - 俯仰控制”，进入俯仰单自由度演示状 态。拖动“升降舵作用力矩”的滑动条，可以改变升降舵提供的力矩Me，拖动 3 “俯仰阻尼系数”的滑动条，可以改变俯仰阻尼系数k。 偏航控制：点击菜单“概念演示 - 偏航控制”，进入偏航单自由度演示状 态。拖动“方向舵作用力矩”的滑动条，可以改变方向舵提供的力矩Mr，拖动 “偏航阻尼系数“的滑动条，可以改变偏航阻尼系数k。 前进控制：点击菜单“概念演示 - 前进控制”，进入向前飞行单自由度演 示状态。拖动“发动机推力”的滑动条，可以改变发动机推力Ft，拖动“阻力 系数”的滑动条，可以改变阻力系数k。 2f16 实时仿真 f16 动态演示：点击菜单“f16 实时仿真 - f16 动态演示”，进入仿真飞行 演示界面如下： 点击下拉条箭头，选择一个播放文件，再点击“载入”按钮，即开始播放 演示文件。播放文件包括以下运动科目：定直平飞、盘旋、垂直拉起、滚转、 尾旋、起飞、着陆等。可以分析飞机在运动过程中的受力及状态变化情况。 f16 模拟飞行：点击菜单“f16 实时仿真- f16 模拟飞行”，进入实时仿真 飞行状态，开始飞机处于定直平飞状态。学生可以用鼠标和键盘驾驶这架F16。 五实验要求 1 反复观察实验现象， 总结规律，并应用理论力学的有关知识分析飞机在外力、 外力矩作用下的运动规律； 4 六问题讨论 1 飞机在飞行过程中受哪些力作用？这些力是如何控制的？它们是如何影响飞 机运动的？