航空航天概论总复习

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1《航空航天概论》总复习 2考试安排及注意事项 3考试时间:2011年12月17日(星期六)18：30-20：00考试地点:将军路校区2203考试形式:闭卷考试 4试题形式与分值1.选择题30题（共30分）2.判断题15题（共15分）3.填图选择题（共4题30空30分）4.简答题3题（共15分）5.论述题1题（共10分） 5试题内容与分值1.发展史与分类（约占10%）2.原理性能品质（约占50%）3.结构（约占22%）4.机载、导航（约占8%）5.发动机（约占10%） 6以下内容需重点掌握 飞行器是指能在地球大气层内外空间飞行的器械。通常按照飞行环境和工作方式，把飞行器分为三类：——航空器：指在大气层内飞行的飞行器。——航天器：指主要在大气层外空间飞行的飞行器。——火箭和导弹：都属于一次性使用的飞行器，可在大气层内或大气层外飞行。§1.1飞行器分类 航空器的分类——1按产生升力的原理分类根据航空器产生升力的原理，航空器可分为两大类：轻于空气的航空器和重于空气的航空器。航空器轻于空气的航空器重于空气的航空器气球飞艇固定翼航空器旋翼航空器扑翼机倾转旋翼机飞机滑翔机旋翼机直升机 空气静力航空器—旋翼机 直升机的分类直升机可以按照平衡旋翼反扭矩的不同方式进行分类。 1903年，莱特兄弟驾驶他们成功制造的世界上第一架载人动力飞机进行试飞。由南京航空航天大学研制的延安二号，是我国自行研制的第一架直升机。2007年，我国自主研制的第一颗月球探测卫星嫦娥1号发射成功，这标志着我国实施绕月探测工程迈出重要一步。2011年9月29日，我国发射了第一个目标飞行器天宫一号，11月1日又发射了航天飞船神舟八号，之后两个航天器共进行了两次对接。 航天器的分类 1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”由前苏联从拜科努尔发射场升空。 １９６１年４月１２日，前苏联宇航员加加林乘坐“东方”１号宇宙飞船在最大高度为３０１公里的轨道上绕地球一周，历时１小时４８分钟，于上午１０时５５分降落在苏联境内，完成了世界上首次载人宇宙飞行，实现了人类进入太空的愿望。 六十年代初，美国宇航局提出了“阿波罗登月计划”。经过八年的艰苦努力，连续发射10艘不载人的阿波罗飞船之后，终于在1969年7月16日发射成功载人登月的阿波罗11号飞船 1971年4月，前苏联成功发射了世界上第一个试验性载人空间站———“礼炮”1号空间站。这标志着人类的航天活动从规模小、飞行时间短的载人飞船进入到规模较大、飞行时间较长的空间应用探索与试验阶段。 1981年4月12日美国第一架实用航天飞机哥伦比亚号从卡纳维拉尔角起飞，历时54.5小时，绕地球36圈后安全返回。 轨道器外挂贮箱助推器储存推进剂、不可回收载人固体火箭、可重复使用 1970年4月24日，中国第一颗人造地球卫星“东方红1号”从酒泉卫星发射中心升空，向全世界宣布中国已进入宇宙空间。 2003年10月15日9时整，神舟五号载人飞船发射成功，将中国第一名航天员杨利伟送上太空。 载人飞船返回舱推进舱轨道舱 费俊龙聂海胜中国神舟6号飞船——2005年10月12日 中国神州7号飞船——2008年9月26日翟志刚景海鹏刘伯明 嫦娥工程中国于2004年2月25日宣布正式实施绕月探测工程，并命名为“嫦娥工程”。嫦娥1号月球探测器采用三轴稳定方式对月定向工作。2007年10月24日，嫦娥一号发射成功。11月5日，进入环月轨道，成为我国首颗探月卫星。11月22日，传回首张月面图像。2010年，我国嫦娥二号发射成功。 2006年12月，我国自主研制的第三代战斗机歼10正式解密。军用飞机的发展历程 民用飞机的发展历程1974年，我国仿照安-12研制的运8中型运输机首飞成功。已有21中改型，应用广泛。 1980年，我国自行研制的大型喷气式客机运10首飞成功。民用飞机的发展历程 2007年12月21日，我国拥有完全自主知识产权的涡扇支线客机ARJ21下线。民用飞机的发展历程 我国独立研制的第一种多用途喷气式无人机 平流层的特点平流层内大气只有水平运动（水平风）能见度较好，喷气式旅客机大多在对流层顶至此层内飞行。 飞行相对运动原理 流动气体的基本规律连续性方程1s1v1=2s2v2=3s3v3=……=const.即：sv=const.当流体不可压缩时，即：=const.时：有：sv=const. 伯努利方程管道中以稳定的速度流动的流体，若流体不可压缩，且与外界无能量交换，则沿管道各点的流体的动压与静压之和等于常量。伯努利方程p+1/2v2=P=const.流动气体的基本规律 大气的物理性质马赫数马赫数的大小可以作为判断空气受到压缩程度的指标。其中v为空速，飞机相对于空气的飞行速度，a为当地音速。 低速、亚音速和超音速流动的区别低速流动流速增加静压减小流速减小静压增加 低速、亚音速和超音速流动的区别亚音速流动vs=C流速增加静压减小流速减小静压增加 低速、亚音速和超音速流动的区别超音速流动流速增加静压减小流速减小静压增加vs=C 低速、亚音速和超音速流动的区别拉瓦尔喷管工作原理Ma<1Ma＝1Ma>1流速增加静压减小流速增加静压减小 （一）机翼的几何形状（1）机翼翼型及其参数翼型：机翼的横剖面形状。翼型厚度：指上下翼面在垂直于翼弦方向的距离，其中最大者成为最大厚度。中弧线：翼型厚度中点的连线。翼弦：翼型前缘点与后缘点间的连线。翼型弯度：中弧线与翼弦之间的最大距离。 （一）机翼的几何形状（2）机翼平面形状参数翼展：机翼翼尖两端点之间的距离，也叫展长，以“L”表示。根梢比：翼根弦长和翼梢弦长的比值。展弦比：展长和平均气动力弦长之比;以λ表示，即：λ=L/bba后掠角：机翼与机身轴线之间的夹角，以χ来表示。 上反角或下反角：飞机处于水平状态时，机翼与水平面的夹角。机翼向上为上反角，向下为下反角。（1）机翼平面形状参数机翼迎角：翼弦和相对来流之间的夹角。 （a）升力（3）作用在飞机上的空气动力 （a）升力（3）作用在飞机上的空气动力通常，机翼翼型的上表面凸起较多而下表面比较平直，再加上有一定的迎角。这样，从前缘到后缘，上翼面的气流流速就比下翼面的流速快；上翼面的静压也就比下翼面的静压低，上下翼面间形成压力差，此静压差称为作用在机翼上的空气动力。空气动力合力在垂直于气流速度方向上的分量就是机翼的升力。 （3）作用在飞机上的空气动力 升力的计算公式：对于某一种翼型，通过实验可以获得升力系数与迎角的关系曲线，即Cy—α曲线。（a）升力 机翼面积的影响相对速度的影响空气密度的影响影响飞机升力的因素机翼剖面形状和迎角的影响（a）升力 （a）升力：失速 （a）升力：失速因为攻角过大，机翼上表面的气流不能维持平滑的流动，气流一绕过前缘很快就开始分离，产生流向不定的杂乱无章的流动。这种流动状态使机翼上表面的压力加大，升力也就很快下降了。这种现象叫做“失速”。 （a）升力：失速随着迎角的增大，升力也随之增大，但当迎角增大到一定程度时，气流从机翼前缘开始分离，升力突然下降，阻力突然增大，这种现象就叫“失速”，失速刚刚开始时对应的迎角叫失速临界迎角。 （a）升力：增加升力的主要措施目前所使用的增升装置的增升原理主要有三类：增升装置的增升原理①增大翼型弯度；②增大机翼面积；③控制机翼上的附面层，推迟气流的不利分离。增升装置的主要作用增升装置的主要功用是在起飞降落时增加机翼的升力，从而降低飞机的离地和接地速度，缩短起飞和降落滑跑距离。 （a）升力：常用的增升装置目前所使用的增升装置的种类主要有：增升装置的主要种类简单襟翼分裂襟翼开缝襟翼后退襟翼前缘襟翼克鲁格襟翼前缘缝翼 （a）升力：常用的增升装置目前所使用的增升装置的种类主要有：增升装置的主要种类简单襟翼分裂襟翼开缝襟翼后退襟翼前缘襟翼克鲁格襟翼前缘缝翼 低速飞机阻力的产生及减阻措施按阻力产生的原因，飞机低速飞行时的阻力一般可分为：摩擦阻力干扰阻力诱导阻力压差阻力 影响摩擦阻力的因素空气的粘性飞机表面的形状（光滑程度）同气流接触的飞机表面积的大小（浸润面积）附面层中气流的流动情况 压差阻力运动着的物体前后由于压力差而形成的阻力叫做压差阻力。 诱导阻力诱导阻力是翼面所独有的一种阻力，它是伴随着升力的产生而产生的，因此可以说它是为了产生升力而付出的一种“代价”。 翼梢小翼 干扰阻力干扰阻力就是飞机各部分之间由于气流相互干扰而产生的一种额外的阻力。 激波当飞机以等音速或超音速飞行时，在其前面也会出现由无数较强的波迭聚而成的波面，这个波面就称为激波。激波特性：激波是一层受到强烈压缩的空气层。气流通过激波时，压强、密度、温度突然增加，而速度却大大降低。 激波强度：波阻的大小与激波的强度有关，即激波强度越大，波阻就越大。正激波的强度总是大于斜激波的强度；且激波面越倾斜，激波强度就越小。 当M＞1时：若物体头部圆钝，在物体前面将形成脱体正激波，而沿上下两端逐渐倾斜成斜激波。若物体头部尖削，形成附着于物体头部的斜激波。形状影响 局部激波和临界马赫数当飞机的飞行速度达到一定值但还未达到音速时，飞机上某些部位的局部流速却已达到或超过了音速。于是，在这些局部超音速区首先开始形成激波。这种在飞机的飞行速度尚未达到音速而在机体表面局部产生的激波称之为“局部激波”。局部激波 飞机开始产生局部激波所对应的飞行马赫数称为“临界马赫数”。临界马赫数／临界速度是亚音速飞行和跨音速飞行的分界点。临界马赫数 尖锐头部、细长机身小展弦比机翼大后掠机翼提高临界马赫数减小激波阻力措施 直升机飞行原理直升机发动机直接带动旋翼旋转产生升力和推力，可以垂直起飞和悬停。现代直升机大多采用涡轮轴发动机作为动力装置。单旋翼带尾桨直升机的尾桨产生的侧向力，相对直升机重心产生一个扭转力矩，与空气作用于旋翼而产生的扭转力矩相互平衡。 对试验模型的要求－－几何相似；运动相似；动力相似，即模型实验的雷诺数要与飞机飞行的雷诺数相等。低速风洞与模型实验要求§2.2.5空气动力学试验装置直流式风洞回流式风洞 §2.3.1天体运动——宇宙速度1.第一宇宙速度又称为环绕速度，地面上为7.9公里/秒。2.第二宇宙速度又称为脱离速度。地面上为11.2公里/秒。3.第三宇宙速度又称为逃逸速度。地面上为16.7公里/秒。 速度性能续航性能高度性能起飞着陆性能机动性能§3.1航空器飞行性能敏捷性§3.1.1飞机飞行性能 （一）速度性能最大平飞速度：飞机水平直线平衡飞行时，在一定飞行距离内（一般不小于３千米），发动机推力在最大状态下，飞机所能达到的最大飞行速度。最小飞行速度：在一定高度上飞机能维持水平直线飞行的最小速度。巡航飞行速度：发动机每公里消耗燃油量最小情况下的飞行速度。超音速巡航能力：飞机具有在发动机不开加力的情况下，能在M1.5以上做超过30分钟的超音速飞行。 理论静升限：飞机能作水平直线飞行的最大高度。（二）高度性能实用静升限：飞机最大爬升率等于0.5m/s（亚声速飞机）或5m/s（超声速飞机）时所对应的飞行高度。 航程：在燃油量一定的情况下，飞机以巡航速度所能飞越的最远距离。提高航程的办法：减小发动机的燃油消耗率增加飞机的最大升阻比减小飞机的结构重量安装副油箱进行空中加油（三）续航性能 （四）机动性能飞机的机动性是指飞机改变飞行速度、飞行高度和飞行方向的能力。飞机过载定义为飞行器所受外力N与飞行器重量G之比，即n=N/G。过载的大小可以粗略的代表飞机机动性能的好坏。对于歼击机（战斗机）而言，机动性是最重要的评价指标之一。 （五）敏捷性敏捷性是飞机迅速改变速度矢量或机身指向的能力。体现飞机敏捷性的指标是机动性对时间的导数。 （一）飞机的稳定性：飞机的稳定性是飞机设计中衡量飞行品质的一个重要参数。如果飞机受到扰动之后，在驾驶员不进行任何操纵的情况下能够回到受扰动前的原始状态，则称飞机是稳定的，反之则称飞机是不稳定的。飞机的稳定包括纵向稳定、方向稳定和侧向稳定。§3.2.1飞机的稳定性和操纵性 飞机的稳定性飞机绕横轴（z轴）的稳定叫纵向稳定，它反映了飞机的俯仰稳定特性。飞机主要靠水平尾翼来保证纵向稳定，而飞机的重心位置对飞机的纵向稳定有很大影响。 飞机的稳定性飞机绕立轴（y轴）的稳定叫方向稳定，也叫航向稳定。飞机主要靠垂直尾翼来保证其方向稳定。飞机的侧面迎风面积、机翼后掠角、发动机短舱等对飞机的方向稳定也有一定的影响。 飞机的稳定性和操纵性飞机绕纵轴（x轴）的稳定叫侧向稳定，它反映了飞机的滚转稳定特性。保证飞机侧向稳定的主要因素有机翼上反角ψ、机翼后掠角χ和垂直尾翼。 飞机的稳定性可以看出，飞机的侧向稳定和方向稳定是紧密联系且相互影响的，因此通常合称为“横侧稳定”。飞机的侧向稳定和方向稳定必须很好匹配。如若匹配不当，飞机将有可能出现“螺旋不稳定”或“荷兰滚”现象。横侧稳定 飞机的操纵性飞机的操纵是指驾驶员通过飞机的操纵机构来改变飞机的飞行状态。飞机的操纵性则指的是飞机对操纵的反应特性，又可以称为飞机的操纵品质。（二）飞机的操纵性： 飞机的操纵性飞机的操纵主要是通过驾驶杆和脚蹬等操纵机构偏转飞机的三个主操纵面——升降舵、方向舵和副翼来实现的。飞机的操纵包括俯仰操纵、方向操纵和侧向操纵。飞机操纵的实现： 飞机的操纵性俯仰操纵使飞机绕横轴（z轴）作俯仰（纵向）运动的操纵叫俯仰操纵，也称纵向操纵。通过推、拉驾驶杆，使飞机的升降舵（或全动平尾）向下或向上偏转，产生俯仰力矩，从而使飞机低头或抬头作俯仰运动。 飞机的操纵性方向操纵使飞机绕立轴（y轴）作偏航运动的操纵叫方向操纵，也称航向操纵。通过蹬脚蹬，使飞机的方向舵向左或向右偏转，产生偏航力矩，从而使飞机向左或向右作偏航运动。 飞机的操纵性侧向操纵使飞机绕纵轴（x轴）作滚转（倾侧）运动的操纵叫侧向操纵。通过左压驾驶杆(左转手轮)使飞机的左副翼向上，右副翼向下偏转，产生左滚转(倾侧)力矩，从而使飞机向左作滚转(倾侧)运动；右滚转的操纵与之相反。 飞机的稳定性和操纵性飞机的操纵与飞机的稳定之间存在着一定的排斥关系，因此在飞机设计时必须统筹考虑，协调处理，以满足不同飞机的不同需要。飞机的操纵与飞机的稳定： 直升机的操纵直升机上升和下降的运动主要是通过改变旋翼总距来实现；直升机前后和左右运动主要是通过周期变距来实现；直升机尾桨的作用是平衡反扭矩与航向操纵。 对飞行器结构的一般要求1.空气动力要求2.重量和强度、刚度要求3.使用维护要求4.工艺性和经济性要求5.1基本要求和主要材料 起落架机翼机身尾翼操纵面5.2飞机机体结构 雷达鸭翼机翼副翼襟翼空速管座舱起落架垂直安定面方向舵 （一）梁式机翼 机载设备燃油箱起落架机身减速器旋翼桨毂倾斜器发动机尾桨传动装置5.3直升机机体结构 起落架的配置型式指的是飞机在地面上支持点的数目及其相对于机身重心的位置。常见的布局形式有：（一）起落架的配置型式后三点式起落架前三点式起落架 航空发动机常见的分类原则有两种：按空气是否参与发动机工作和发动机产生推进动力的原理。§6.1推进装置的分类和特点§6.1.1按是否需要空气分类见图6-1§6.1.2按产生推力原理分类见图6-2 航空燃气涡轮发动机航空燃气涡轮发动机主要由压气机、燃烧室和燃气涡轮（简称涡轮）所组成。燃气涡轮燃烧室压气机压气机、燃烧室和燃气涡轮（简称涡轮）构成发动机的核心机，又称燃气发生器。 由燃气涡轮出来的燃气，仍具有一定的能量，正是这股具有能量的燃气，才产生了发动机的推力或输出功率。根据燃气涡轮后面有无“动力涡轮”以及“动力涡轮”所驱动的部件不同，分为以下四种类型：航空燃气涡轮发动机的分类涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮轴发动机 §6.3.1涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机的组成：进气道压气机燃烧室涡轮尾喷管涡轮喷气式发动机中没有动力涡轮，只有燃气涡轮，燃气涡轮后面直接布置一个尾喷管。 涡轮风扇发动机有动力涡轮，它的传动轴驱动的是外径比燃气发生器大的1级或几级称为风扇的叶片。流入发动机的空气在风扇中增压后，一部分经燃气发生器中流过，称为内涵气流；另一部分经围绕燃气发生器外壳的外环中流过，称为外涵气流。§6.3.2涡轮风扇发动机 高涵道比涡轮风扇发动机高涵道比涡轮风扇发动机适用于现代大型喷气客机。 涡轮螺桨发动机 涡轮轴发动机 空气先经进气道扩压后，速度下降、压力提高，压缩后的空气与喷油咀喷出的燃油混合，在燃烧室内进行等压燃烧，高温高压燃气从喷管高速喷出，产生推力。冲压式发动机在飞行速度很大时能够有效地产生推力，静止时无法产生推力。§6.4.1冲压发动机 空气压入燃烧室内与燃料混合燃烧燃烧后燃烧的压力将活门关闭。燃气喷出后燃烧室内的压力小于外界大气压，压差的作用将活门自动打开，空气再进入燃烧室循环工作。可以自己在静止时启动。§6.4.2脉动发动机 全静压管又叫空速管或皮托管，用来收集气流的全压(又称总压)和静压。全静压管为一表面十分光滑的线型管子。全静压管一般包括全压、静压和加温等部分。§7.1.1飞行仪表 气压式高度表通过测量大气压力来间接测量高度的仪表，因为在标准大气中气压与高度具有一一对应的关系。无法在飞行中时刻指示出飞机的真实高度。选定的基准面不同，所测出的高度也不同。（一）飞行高度的测量 无线电高度表无线电高度表由雷达收发机、收发天线、显示器等组成，是通过测量电磁波发射信号相对于地面反射信号之间的时间间隔来获得高度读数的。（一）飞行高度的测量 空速表的功用是测量并指示飞机的飞行速度。常用的压力式速度表是通过测量气流的总压和静压来指示飞机的飞行速度。（二）飞行速度的测量 指示飞行姿态和航向的仪表航空器的姿态角是相对于地球参考系而言的，包括俯仰角、航向角、倾斜角。指示飞机飞行姿态和航向的仪表一般都用罗盘和陀螺作为感受元件。（四）飞行姿态角的测量 陀螺指的是一个绕其对称轴作高速自由旋转的转子。陀螺具有两个重要特性，即：定轴性进动性（四）飞行姿态角的测量 陀螺的定轴性也称陀螺的稳定性，指的是当陀螺旋转时，能保持其自转轴在空间的方向不变。陀螺静止时陀螺旋转时（四）飞行姿态角的测量 陀螺的进动性指的是当陀螺旋转时，在外力矩作用下，转子的自转轴总是力图使其沿最短的路径趋向外力矩的作用方向。（四）飞行姿态角的测量 §4飞行器导航原理主要内容：§4.4图像匹配导航系统§4.1无线电导航系统§4.3卫星导航系统§4.2惯性导航系统§4.5天文导航系统§4.6组合导航系统 导航是把飞行器从某个地方引导至目的地的过程。导航系统分为自主式和被动式。自主式导航系统不依靠飞行器外部设备和信息进行工作，抗干扰性强，包括惯性导航系统、图像匹配导航系统、天文导航系统等；被动式导航系统需要外部设备和外界信息的支持才能工作，容易受到干扰，生存性差，包括无线电导航系统、卫星导航系统和多普勒导航系统等。引言 惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、显示器组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，加速度计用来测量飞行器沿三个坐标轴的线加速度，陀螺仪用来测量飞行器绕三个坐标轴的角加速度。计算机通过对加速度的积分运算获得飞行器的速度和位置信息。显示器用于显示各种速度和位置信息。按照惯性测量装置在飞行器上的安装方式，惯性导航系统可分为平台式（惯性测量装置安装在惯性平台上）和捷联式（惯性测量装置直接安装在飞行器上）。§4.2惯性导航系统 §4.3.4GPS导航原理用户接收机在接收到卫星信号时，根据自身的时钟读出信号到达的时刻。由于卫星发射信号的时刻是已知的，因此可以计算出用户与卫星之间的距离。需要指出的是，由于卫星上的时钟精度较高而用户设备的时钟精度较低，因此计算出的距离并不是用户和卫星之间的真实距离，我们把称为伪距。 §4.3.4GPS导航原理上页图中公式，卫星坐标、光速、伪距是已知量，只有四个未知量，因此需要利用四颗卫星列出四个距离方程，才能求解出用户坐标。也就是说，用户在任何地方和任何时刻都要看到四颗以上的卫星，才能实现连续实时的全球导航与定位。为了满足这个要求，GPS系统共发射了24颗卫星，轨道高度为20000公里，运行周期约12小时。