[交通运输]直升机飞行控制第2章

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1、第二章直升机飞行动力学2.1坐标系及运动参量与固定翼飞机相似，直升机在空中作6个自由度运动，即作为质点的三个线运动：升降运动，前飞与后退运动及左右侧向运动；以及作为刚体的角运动：俯仰运动，偏航运动及滚转运动。为描述直升机自身运动需建立机体坐标系及速度坐标系，为建立直升机相对于地面的运动几何，需建立地面坐标系。2.1.1坐标系1．机体坐标系机体坐标系（）与机体固连，如图2－1所示，原点为飞机重心，纵轴在直升机对称平面内，通过重心，与机身纵轴一致，沿机头方向为正，立轴通过重心，在机身对称平面内与桨毂轴平行，向下为正，横轴通过重心与平面垂直。若左旋直升机，按

2、左手定则，指向左为正，若右旋直升机则按右手定则，指向右为正。图2－1为右旋直升机的机体轴系。图2-1机体坐标系及与地面坐标系之间关系2．速度坐标轴系速度坐标系（）描述直升机空速相对于机体轴的关系，如图2－2所示，原点设在飞机重心，轴与空速向量一致，前飞为正。在直升机对称平面内，垂直于轴，向下为正，垂直于平面,直升机右旋时向右为正。由速度坐标系可建立飞机的迎角与侧滑角。机身迎角为在机身对称平面的投影与夹角，侧滑角为与对称平面的夹角,在轴右边时侧滑角为正。43图2-2速度坐标系3．地面坐标系地面坐标系（）相对于地球表面不动，如图2-3所示，原点设在地面上某

3、点（可设在起飞点），纵轴应指北，或指向应飞航向，立轴垂直向下为正，轴与平面垂直，指向由右手定则决定。由图可知,地面坐标系可建立直升机相对于地面飞行的航迹倾斜角及航迹偏转角。航迹角是指直升机的地速与地平面夹角，向上为正。航迹偏转角是地速在地平面内投影与给定飞行航线之间的夹角，右偏航为正。在地面坐标系中可描述直升机重心在空中的坐标位置：高度，方向的飞行距离,以及方向飞行偏航距。由图2-1可知，机体轴坐标系与地面坐标系的关系可由三个欧拉角来表示。首先绕轴转过一个偏航角，右偏航为正，构成轴系，再绕转动，出现俯仰角，上仰为正，构成轴系,最后绕轴转动，得出横滚角，

4、右滚为正。43图2－3地面坐标系及并联参量图2-1标出了直升机飞行速度在三个机体轴上的投影，分别用表示。飞机转动角速度在机体轴上的投影分别为。由运动学可写出以下关系式，以描述欧拉角的角速度与机体角速度之间的关系。(2-1)2.1.2作用于直升机上的气动力作用于直升机上的力与力矩是分析直升机动力特性的基本因素，决定着直升机的基本性能，因此必须分析由直升机的旋翼，尾桨，平尾，机身所产生的气动力及它们对重心所构成的气动力矩。1．旋翼的气动力图2－4标出了旋翼所产生的气动力与气动力矩，在构造轴中所产生的力有拉力,后向力，侧向力。尾桨产生的气动力为，直升机的重力

5、。由这些力的几何位置可容易地标出这些力对重心所构成的俯仰力矩、横滚力矩及偏航力矩。(a)纵向气动力与气动力矩43(b)侧向气动力与气动力矩图2-4旋翼及尾桨所产生的气动力与气动力矩当操纵手柄后拉飞机抬头时及操纵手柄右压右滚时，旋翼所产生的气动力在机体轴系中的分量有（X轴负方向）（对右旋直升机，是Y轴正方向）（Z轴负方向）式中分别为气动合力F相对于的纵向偏转角及侧向偏转角。1．尾桨的气动力尾桨与旋翼不同之处是没有垂直铰和自动倾斜器，故可把它称为无周期变距的构造平面与机体对称平面平行的小旋翼。因此尾桨拉力可表示为(2-2)式中为尾桨桨叶半径，为尾桨桨叶旋转

6、角速度，为尾桨拉力系数。尾桨拉力系数与尾桨桨距成正比。规定与轴一致为正。尾桨的阻转力矩近似地与旋翼的阻转力矩成正比。即2．平尾的气动力与气动力矩直升机平尾起水平安定面作用，位于尾梁后段，平尾翼弦与机体纵轴之间的夹角称平尾安装角，此安装角可与油门变距杆或驾驶杆联动。平尾升力及阻力可由下式表示43(2-3)(2-4)4.机身的气动力作用于机身的气动力在机体轴系中的投影有(2-5)2-6)(2-7)作用于机身气动力对重心所构成的横滚、俯仰及偏航力矩为(2-8)(2-9)(2-10)式中：，，分别为机身在纵向,侧向以及法向方向的分力气动系数。,,分别为机身气动

7、力对重心所构成的滚转力矩，俯仰力矩和偏航力矩系数。为机身的最大迎面面积，为机身长度。为绕相应机体轴的修正力矩。由上分析，最终可列出作用在直升机上的力与力矩(2-11)式中、、为旋翼产生的滚转力矩、俯仰力矩及偏航力矩；分别是直升机有俯仰与滚转运动时，重力在机体轴上的分量。其中(2-12)432.2直升机的平衡动力学2.2.1直升机的平衡方程当直升机作飞行速度大小与方向都不变的定常运动时，此时直升机处于平衡状态，因此作用于机体轴上的合力及合力矩均为零，从而得到6个平衡方程。根据平衡方程可求出某一飞行状态下，飞机四个操纵量及两个姿态角，即俯仰角及滚装角的数值

8、，因此通过平衡状态的计算，可得出某一平衡状态下直升机在空中的姿态，另外还可用来校验操纵系统设计