飞行力学课程实验报告

航空科学与工程学院《飞行力学》课程实验

模拟飞行实验：飞机典型运动模态激发

一、实验目的

1．掌握常规布局飞机的模态特点

2．了解重心后移对稳定性的影响

二、实验仪器和设备

1．教学飞行模拟器

2．数据后置处理计算机

三、实验原理

参阅：

1．王维军编. 飞行仿真课程实验指导书. 北航509教研室, 1996

2．方振平，陈万春，张曙光编. 航空飞行器飞行动力学. 北京航空航天大学出版社，2005

1．熊海泉等编. 飞机飞行力学. 航空专业教材编审组，1990

2．Etkin B. Aircraft Dynamics – Stability and Control (3rd ed.). John Wiley & Sons, Inc., 1996

四、实验

实验准备：

1．实验前复习有关飞机典型运动模态的内容；

2．听取实验指导教师介绍：模拟控制台参数设置方法；脉冲操纵方式的特点；

模态参数的模拟飞行实验提取方法；

3．拟定模拟状态点和基本操纵方案，其中须覆盖下列任务要求：

1）在某巡航状态激发典型的纵向运动和横航向运动典型模态；

2）对比重心后移后，纵向模态特点的变化。

（状态点和操纵方案需经小组充分讨论。）

实验过程：

1．加电、开机，硬件、软件初始化；

2．仔细观察实验指导教师的演示；

3．分组轮换进行模拟飞行实验，在预定时间内完成所有要求的任务，并正确记录数据。

数据处理：

1．根据记录数据，提取与任务要求相关的模拟飞行段数据，并绘制曲线；

2．提取飞机飞行纵向和横航向模态参数。

五、数据处理及分析

（1）纵向短周期

t-q图像

t-Δθ图像

t-ΔV图像

分析：根据以上图像分析可得出纵向短周期模态的特点为：迎角和俯仰角速度变化，而速度基本不变，周期短（一般为数秒量级），衰减快。其主要原因是：一般飞机均具有较大的静稳定力矩（恢复力矩），Mα会引起飞机较大的角加速度，使飞机的迎角和俯仰角迅速变化。另一方面，飞机的阻尼力矩M q q也比较大，在震荡运动会产生较大的阻尼作用，使飞机的旋转运动很快的衰减下来，飞机的力矩在前几秒钟内基本恢复到原来的平衡状态。

（2）纵向长周期

t-ΔV图像

t-q图像

t-Δθ图像

分析：根据以上图像分析可得出纵向长周期模态的特点为：飞行速度和俯仰姿态角缓慢变化，周期长，衰减慢。主要原因：由于飞机的质量较大，而起恢复和阻尼作用的气动力ZvΔV和XvΔV相对比较小，所以作用在飞机上的外力处于不平

衡状态持续较长时间，重力和升力的作用使飞机航迹和速度变化。（3）横航向滚转模态

t-p图像

t-φ图像

t-r图像

分析：根据以上图像分析可得出横向滚转收敛模态的特点为：主要表现为飞机滚转角速度p和滚转角φ的迅速变化，而其他参数变化很小。一般来说，飞机的滚转转动惯量Ix通常比偏航转动惯量Iz小得多，在外界的扰动下，飞机很容易产生滚转，而不太容易产生偏航。并且滚转阻尼导数Lp较大，使运动很快衰减。（4）横航向螺旋模态

t-p图像

t-φ图像

t-r图像

分析：根据以上图像分析可得出横向螺旋模态的特点为：主要表现为扰动运动后期偏航角和滚转角单调而缓慢的变化。扰动后期参数β 、p、r的变化均很小，因而作用在飞机上的侧力和横航向力矩也很小，加上飞机的偏航转动惯量较大，而偏航阻尼力矩又较小。

（5）横航向荷兰滚模态t-p图像

t-φ图像

t-r图像

分析：根据以上图像分析可得出横向荷兰滚模态的特点为：飞机一面来回滚转，一面左右偏航，同时带有侧滑。假定飞机受到一个向右滚转的扰动，因而出现正的侧滑角β，同时产生两个静稳定力矩Lββ和Nββ，Lββ使飞机左滚，滚转角减小，Nββ使飞机右偏航，β逐渐减小。飞机在滚转和偏航的过程中，由于阻尼力矩L p p 和N r r的作用，使p和r不断降低。另外，产生的交叉力矩L r r和N p p可能对运动起激励作用也可能起阻尼作用，视交叉导数的符号而定。当飞机恢复到滚转角为零时，但一般p不为零，因此飞机又继续左滚转，继而左侧滑。

六、思考题

1．模态参数辨识实验常用的飞行操纵方式有哪些？

答：纵向操纵：油门输入、升降舵输入;

横向操纵：副翼输入、方向舵输入

输入的模型常有：阶跃输入、脉冲输入、正弦输入、随机输入等；

2．纵向扰动运动模态如何随重心变化？

答：常规重心位于气动焦点之前的飞机具有纵向静稳定性，通常具有明显的常规模态特性，当重心后移，静裕度减小后，短周期频率将下降阻尼几乎不变。与此同时，长周期模态振荡复根随静裕度减小逐渐向实轴靠拢，当静裕度接近中

立时，模态特征发生明显变化。随着静裕度的进一步下降，一个长周期根和一个短周期跟相互靠拢，重新耦合成一组新的阻尼比和频率都很低的振荡模态根（常成为第三振荡模态），另一个短周期根向负实轴发展，而令一个原长周期根向正实轴发展，当重心进一步后移，其演变为一个大实根，运动迅速发散。

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