飞机六自由度飞行动力学仿真实验

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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、WINDOWS98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

2、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⎡U⎤⎡P⎤d⎢⎥d⎢⎥的速度可表示为V=V，绕质心的转动角速度可表示为ω=Q。飞机受到⎢⎥⎢⎥⎢⎣W⎥⎦⎢⎣R⎥⎦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1⎡Fx⎤⎡Mx⎤dd⎢⎥⎢⎥分别为F=Fy和M=My。根据质心运动定理（牛顿方程）和相对于质心的⎢⎥⎢⎥⎢⎣Fz⎥⎦⎢

3、⎣Mz⎥⎦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，

4、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2“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

5、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。2．f16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：

6、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；3六．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？4