飞机基础知识

飞机基础知识
1、基础：
三轴六余度的通用标准：
首先大家要记住这个图，这将是贯穿始终最重要的一个图，后边简单讲到气动导数的时候会再用到。

这图代表了三轴6个余度(或DOF，自由度)，前后，左右，上下 (x，y，z)三条轴向以及绕轴旋转的余度。

记住图中箭头的方向代表了正值的方向(可能跟你学过的直角坐标系正好相反!)
三轴六余度通用标准表
静稳定性的概念：
理解这个，有一颗吃货的心就好懂了：首先你有一个碗，碗里有一颗鸡蛋，你左摇右晃这个碗，放下碗后鸡蛋还是要回到碗底，或者说，鸡蛋在受到扰动后会有自然想回到碗底的趋势，这就是静态稳定性，简称静稳。

反之，鸡蛋立在西瓜上，静态是不稳定的，这就是静不稳，虽然也能配平!飞机也是这样，但是稍微一扰动，他就离稳定状态越来越远了。

鸡蛋放在菜板上，这叫中立稳定：我推它一下，它就停在新的地方，没有想回或者想离开的趋势，换句话说任何地方都能配平!
动态稳定性：
鸡蛋每次都会想往碗询问滚动这叫做静稳，因为摩擦力，每次左摇右晃的幅度越来越小，越来越趋近于在碗底部静止这叫做动态稳定性，简称动稳。

假设理想状态下碗和鸡蛋没有摩擦力，没有空气阻力，你会看到鸡蛋会一直保持左摇右晃下去不衰减，这叫静态稳定+动态中立。

假设碗底有个吹风的喷口，每次越过碗底都会增加向另一边的运动幅度，摆动越来越大，但是每次都还想回到碗底，这叫做静态稳定+动态不稳定。

阻尼系统：
跟弹簧不一样，阻尼系统的阻力是与速度相关的。

弹簧的压力是跟位移有关，压缩距离越大，弹力越大，但本身(理想弹簧)不消耗能量。

但阻尼系统是运动速度越大，阻力越大，系统会消耗能量。

俯仰/偏航阻尼：
回想鸡蛋的问题，不管是在碗里、板上还是西瓜上，我们用一层厚厚的粘稠的糖浆包裹起来，虽然鸡蛋还是要回到原来中立位置、停在新的位置、离中立越来越远。

最明显的是速度会变慢，这有啥用呢?
比如碗里的状态，原来的鸡蛋就算想回到碗底，也很可能会越过，并来回滚好几次，但有糖浆后很可能只越过一次，甚至不越过，就可以回到原位了。

(静态稳定+动态十分稳定)
当然糖浆太浓(阻尼太大)会严重减慢鸡蛋回去的速度。

从系统控制理论来说，鸡蛋稍稍越过原位(峰值位移的2-5%左右)，得到的是一个比较迅速和稳定的状态。

另外，即使是西瓜上立鸡蛋的状态，因为糖浆(阻尼)会大大减缓鸡蛋离开平衡点的速度，我们的反应时间就足够滚动或者移动西瓜来重新控制鸡蛋了。

也就是说，适当的俯仰阻尼设置可以让我们手动控制静不稳的飞机。

当然这只是静不稳的一半问题，静不稳还有更严重的问题没解决。

平飞的概念：
简单来说，平飞就是飞机六个余度的所有力和力矩相等，飞机对称的话我们省略掉对称轴的东西，比如滚转和侧滑，那么基本上来说就是：
升力=重力 L=W;
推力=阻力 T=D;
最重要的：
抬头力矩=低头力矩 M=0。

听起来太简单了，但这三个等式将是我们设计飞机时最重要的参照。

升力系数、阻力系数：
升力系数 Cl= L/ (1/2*ρ*V^2*S);
阻力系数 Cd= D/ (1/2*ρ*V^2*S);
升力和阻力系数是将升力和阻力除以动压以及机翼面积以消除单位来帮助理解和运算的量。

因为和单位无关，所以分析问题时可以脱离大小、速度、高度等情形的限制。

大气：
有个十分重要的词叫ISA，国际标准大气，是航空领域的基础标准。

具体的不用讲太多啦，只需要记住大概是怎么样就行了。

我们的大气层基本上长这样，大气中最关键的三个值是压力、密度和温度，图中从左到右三条曲线分别为压力、密度、温度与ISA海平面值的比值。

你肯定会想，咦？温度变成海平面大约0．8倍?高空16度?
这个温度是指绝对温度啦，单位是K，比如海平面20摄氏度度=293K。

看这个图就更直观了
咱们研究航空问题，先暂时看20km以下的高度，压力和密度以类似的曲线随着温度升高而降低，温度则是在10km一下以一条固定斜率降低，平流层里温度基本不变。

因为平流层受地面影响小，又有臭氧层吸收紫外线升温，所以平流层下半部分温度几乎
不变，上半部分反而逐渐升温。

密度：
密度是第一个要考虑的问题，密度越大，阻力越大，升力也越大，发动机的进气也越多，这不用说啦。

所以低空阻力大，飞机想飞得快也要飞高点大家也明白。

这个跟我们速度关系太大了,所以我们肯定感兴趣。

咋办捏?还得先从飞机的速度是怎么测量的讲起，飞行员想知道自己飞行速度怎么办?
别跟我讲GPS哦，这货才出现几年，而且只能测定你跟地面的相对速度，没有毛用。

压力：
总压 = 静压+动压：Pt=P∞+1/2ρ*V^2
动压即Q=1/2*ρ*V^2
高度表：
怎么理解呢? 大家记得坐飞机或者爬高山快速下山的时候耳朵会疼吗?因为你耳内和耳外压力不平衡了。

这个静态的压力便是静压。

假设你的耳朵足够精密到能测量这个内外压差，同时屏住呼吸保持耳朵内部有地面的一个标准大气压，这样在不同高度你就可以根据你耳朵鼓膜的变形(痛感程度)来估算出你的静压差(高度)。

速度表、真空速和相对空速：
同时，假设你张开嘴巴迎风潇洒的奔跑，大气的静压一样会对你的嘴巴里施加压力，你向前奔跑速度带来的相对气流涌入你嘴里造成了动压，所以你张嘴得到的是总压力。

耳朵因为跟你前进方向平行只能得到静压，内耳跟嘴巴想通所以得到的是总压。

恭喜你，耳膜的内外压差便是我们的动压了，因为：总压(内)-静压(外)=动压
因为动压公式Q=1/2*ρ*V^2，我们知道动压又知道密度(密度ρ = P/RT，R是常数，T是温度)，就可以求出我们的速度V了!
当然飞机上不会让飞行员把头伸出去测量速度和高度这些功能是由相同原理的仪器来测量的，如果我们的仪器没问题，那么我们就得到了我们的真空速（True Air Speed，TAS）。

注意：是真~空速，不是真空的速度。

如果没风的话，那么这个TAS=GS(地速)。

咱们再看看动压的概念：Q=1/2*ρ*V^2
密度ρ在海平面测速的时候就是用了海平面的密度，可是在高空还要换算成高空的密度，很麻烦。

如果把密度一直固定用海平面密度就计算起来简单多了! 但那么得出来的速度V，就是另一个值了。

除了在海平面是跟TAS一样的，飞得越高，V就会跟TAS差距就变大，没法计算相对地面的速度。

因为我们用了海平面的密度来计算速度，那么这个速度就是一个相对于海平面状况的速度咯。

所以咱们叫它相对速度（ Equivalent Air Speed EAS）。

EAS表达动压就是：Q = 1/2*ρ(SL)*V(EAS)^2 ---SL指sealevel海平面
为啥我在视频里各种强调用EAS?下面我们想想升力系数和阻力系数的概念：
升力系数 Cl= L/ (1/2*ρ*V^2*S);
阻力系数 Cd= D/ (1/2*ρ*V^2*S);
于是推出：Cl= L/(Q*S) 和 Cd = D/(Q*S)
反过来说我飞机受到的升力，或阻力就是：
L = Cl*S*Q ， D = Cd*S*Q
或者：L = Cl*S*1/2*ρ(SL)*V(EAS)^2， D = Cd*S*1/2*ρ(SL)*V(EAS)^2
假设飞行中在同样的迎角(也即是升力系数和阻力系数下)，机翼面积S又不变，那么我的受力就完全与动压Q成正比，与相对空速EAS成正比。

假设我在试飞中知道飞机在平飞中超过250m/s的相对速度(EAS)会解体，那么不管在什么高度，我只要保证自己不超过250m/s的EAS就没事。

声速：
很多人会说声速不就340m/s嘛有啥说的? 你也许知道声速其实随着高度增加在降低。

但声速怎么算呢? 其实它跟压力没直接关系，跟密度也没直接关系，声速的计算只跟温度有关。

声速：a = sqrt(γ*R*T)
--sqrt指根号，γ是常数，空气是1.4， R是气体常数，前面讲过，空气是287.05;
马赫数：
马赫数：M = V(TAS)/a ，当地真空速与当地音速的比值
同样的地速在不同高度下马赫数不一样,马赫数更高不代表速度更快。

但马赫数告诉你的飞机是否进入了超音速状态，因为超音速后你的气动特性、操纵特性、升阻比都会变化，还有激波问题等，而且高超音速之后你的气动加热问题也会很严重。