飞机横航向稳定性分析

飞行器在正常飞行过程中，一般来说，它的平衡状态常常会因为各种各样因素（像收放起落架、燃油慢慢消耗、收放襟翼、发动机推力改变或投掷炸弹等等）的影响而遭到破坏，于是飞行器自身本来的运动平衡状态被打破。这个时候飞行器驾驶员必须要通过偏转相应的操纵面来使飞行器的平衡能继续保持，这个把飞行器从不平衡调整为平衡的过程我们称之为配平。
1.3.2
这篇论文首先从飞行器的力学模型入手，在前面定义的四个坐标系中得到飞行器的动力学（转动、移动）方程和运动学方程，利用得到的方程关系研究飞行器的稳定性问题，但要首先研究飞行器运动方程线性化，线性化后的方程更便于仔细分析；然后研究飞行器横航向稳定性分析方法，从而对飞行器横航向运动建模。最后设计飞行器横航向稳定性分析系统。
1.1.3
稳定性是指飞行器正常飞行中偶然受外力（突风、侧风）干扰后不需要驾驶员对舵面进行调整，飞机靠自身特性保持原来正常飞行状态的能力。
飞行器的稳定性问题，和上述圆球在圆弧曲线上能否保持稳定的情况在实质上是相同的。如果在飞行过程中飞行器由于外界瞬时微小扰动而偏离了平衡状态，这时若在飞行器上能够产生稳定力矩，那么飞行器将具有自动恢复到原来平衡状态的能力，同时阻尼力矩在飞行器摆动过程将起到阻碍作用，使飞行器摆动幅度逐渐减小，那么飞行器将能像图1.1(a)所示的圆球一样，不需要依靠驾驶员的额外介入就能依靠自身的阻尼作用自动地恢复到初始的平衡状态，因而它是稳定的，或者说飞行器具有稳定性；相反的，如果在飞行器受到外界扰动后偏离平衡状态后自身系统产生的力矩是不稳定力矩，那么飞行器将发散震荡、或者长时间震荡，受到震荡后越来越偏离自己原来处于的平衡位置，因而我们说它是没有稳定性。由上文可知，现代飞机设计中为了保证飞行安全和便于驾驶员方便操纵，现代设计的飞行器必须有严格的稳定性要求。
1.2.2
机翼的上反角、后掠角和垂直尾翼等是保证飞行器横向稳定性的主要部件。后掠角越大，其所起的横向静稳定作用越强。如果后掠角很大（如—些超音速大后掠翼战斗机），就可能导致过分的横向静稳定性，一般用上反角替代使用；当飞行器向某一方向滚转时，向下方向的机翼更接近水平，产生额外升力；向上一侧的机翼更偏离水平，升力下降，升力差导致其产生稳定力矩。恢复水平位置。这相当于让机翼在水平投影上的面积改变了，机翼的气动效率等于与其在水平投影面积相同的机翼，同时也改变了机翼迎角，使其存在上下气流分量；当飞行器(不论何种原因)出现侧滑角β时，在垂直尾翼上就会产生侧力ΔY，它不但能为航向提供恢复力矩，而且由于垂直尾翼一般都装在机身的上面，所以还有滚转力矩ΔMx，它是一个横向稳定力矩，所以垂尾也有增大航向稳定性的作用；机翼位置也对横向稳定型有影响。例如上单翼有利于提高横向稳定型。
作者签名：年月日
（学号）：
飞机横航向稳定性分析
摘
飞机的稳定性是保证飞行安全的最基本要求，本文主要目的是对常规布局飞机的横航向稳定性进行分析，并利用Matlab编写程序来实现飞行器横航向稳定性分析；我们首先建立飞行器的运动学方程和动力学方程，得到飞行器正常飞行的力学模型，利用模型充分研究影响飞行器横航向稳定性的因素后，为了利用矩阵工具对方程进行求解，我们采用合理方法使飞行器运动方程线性化；线性化后我们发现飞机的横、纵向方程并不耦合，我们把飞机横向线性方程分离出来，并将其整理成矩阵形式，然后求出矩阵的特征值和特征向量，利用特征值与飞行模态的对应关系就可以确定飞机的稳定性
Key Words：Stability; Equations of motion; Modeling; Linearization
第一章 引 言
1.1
1.1.1
飞行器在正常飞行时，飞行器的平衡状态是所有作用在飞行器上的外力、外力矩之和全为零的状态。最一般的情况，如果飞行器做等速直线运动我们可称其处于平衡状态。
编号
毕业设计
题 目
飞机横航向稳定性分析
学生姓名
学 号
学 院
专 业
班 级
指导教师
二〇一六年六月
本科毕业设计（论文）诚信承诺书
本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
关键词：稳定性，运动方程，建模，线性化
Aircraft lateral and directional stability Analysis System
Abstract
Thestability of the aircraft is the most basic requirements to ensure flight safety, the main purpose of this article is lateral and directional stability of the general layout of the aircraft for analysis and programming using Matlab to achieve the aircraft lateral and directional stability analysis; we first establish the kinematics of the aircraft equation and dynamic equation, the mechanical model of aircraft normal flight, the full study using the model aircraft after the impact factors of stability cross course, in order to take advantage of tools matrix equation is solved, we have adopted a reasonable approach enables linear equations of motion of the aircraft; linearization we found that the aircraft's horizontal and vertical coupling equation does not, we separated the plane transverse linear equations, and organized into a matrix, and then find the eigenvalues and eigenvectors using the eigenvalues and the corresponding flight modes relations can determine the stability of the aircraft
1.2
1.2.1
飞行器要正常飞行，不只要能产生足够的升力去平衡自身重力、发动机有足够的推力克服阻力以及良好的飞行性能，而且稳定性和操纵性必须比较好，这样才能在空中安全飞行。不然，飞行器的驾驶就会变得很困难，因为飞行器总是会偏离驾驶员预定的航向；或者当飞行器稍微受到比如突风、侧风、武器的发射等外界扰动，飞行器的平衡状态随即消失而又不能自动恢复，这种情况需要驾驶员花费很大的时间和精力去操纵机构改出不稳定状态。所以飞行器的稳定性系统分析，在现代飞行器设计阶段占愈来愈重要的作用。在飞行中，航向平衡状态由于飞行器受到微小扰动而使改变，在外界扰动消失时刻，不经驾驶员操纵飞行器，飞行器自身就有自动地把原来航向平衡状态恢复的趋势，则我们认为飞行器航向具有静稳定性。飞行器航向静稳定性的性质和风标对风的性质类似，所以我们也称航向静稳定性为风标静稳定性。垂直尾翼就是主要来保证飞行器的方向静稳定性的。
1.1.2
在飞行器的配平过程中，如果是由于飞机自身一些不可抗拒作用的因素（如单台发动机停车）造成的不平衡的力矩，驾驶员通过操纵面适当的偏舵就可以消除。但不仅仅是这些，飞行器在正常的飞行过程中，还常常会碰到例如垂直突风的扰动或者驾驶员偶尔不留神碰到驾驶杆或脚蹬等一些偶然的、突发的因素，这些无一例外也会使飞行器原本的平衡状态遭到破坏。并且由于在这种情况下飞行器运动参数会发生比较剧烈的变化，驾驶员难以完全控制，必然会影响到预定任务的完成和飞行的安全。因此为了飞行品质的考量，便对飞行器本身提出了稳定性的要求。
论文的第四章则是在第三章利用小扰动理论简化到的方程组的基础上，利用已经学习过的矩阵工具将方程组矩阵化，将飞行器稳定性问题分析转化为特征矩阵的求解分析，并对方程组的基本求解理论进行验证，并利用matlab软件中的数值分析工具进行了辅助工作。最后利用已经编写好的程序对某型号已经知道其气动数据的飞机稳定性进行分析了，得到了该程序应该的到的结果。
论文第一章从飞行器的平衡与配平开始，由圆弧轨道上的小球介绍了稳定性的由来以及稳定性பைடு நூலகம்析在现代飞行器设计中的重要性，并对常规布局飞行器中对飞行稳定性影响比较大的部件进行总体阐述。
本论文第二章一开始介绍了研究飞行器运动关系所必须需要的四种坐标系，并根据坐标系之间的定义关系推导出了各个坐标系之间的转换矩阵，这些准备工作完成后，本章先从飞行器的动力学方程开始，利用各种学习过的力学，物理知识推导出了飞行器质量中心移动，飞行器质量中心转动的相关动力学方程；然后接下来研究了飞行器的运动学方程，并根据力学知识推导出了飞行器质量中心运动学的方程、飞行器质量中心转动的运动学方程；以这些为基础，我们发现飞行器的质量中心运动是在航迹轴系上投影研究的，但绕质量中心转动的运动在机体轴系上投影研究得到相关方程的，故我们把得到的方程组称为航迹-机体体系运动方程组。
1.3
1.3.1
每架飞行器的稳定性是其复杂飞行性能评价中不可分割的一部分。飞行器的稳定性直接决定飞行器在空中的飞行安全。因此，我们最大的关注是在飞行器设计的早期阶段的稳定性的分析。保证飞行器飞行安全中极其重要的一个步骤就是分析关于飞行器的运动稳定性，国内和国外以前都发生过多起因为飞行器自身飞行运动不稳定或者飞行器进入受到扰动不稳定进而失速而导致失控的机毁人亡的事故。自从二十世纪飞行器问世以来，飞行器的飞行安全就一直是飞行器设计师们的最高准则，安全、稳定这项最高目标是飞行器的各项设计目标都必须要服从的指标，飞行器的横航向机动中的稳定性一直是飞行器飞行安全和战斗机安全高效完成任务的重要的影响因素。随着现代飞行器飞行速度越来越高，当飞行速度较高时，飞行器的气动力特性已表现出特别明显的非线性，难预料，留给驾驶员的反应时间越来越少，飞机操控难度显著提升，于是正常机动飞行过程中极易出现失速失控、自激震荡等等失去稳定性、不能控制的现象，从而引发严重的飞行事故。因此对飞行器的横向稳定性进行深入的研究是很有必要的。