第1节课绪论1

1、飞行控制系统飞行控制系统陈澜陈澜第一节课第一节课(20160316) (feikong) (feikong) 飞行控制系统飞行控制系统 吴森堂 主编绪论绪论本课程内容安排本课程内容安排飞行控制系统飞行控制系统飞行器的基本分类及特点飞行器的基本分类及特点航空航天事业发展航空航天事业发展绪论绪论 飞行器是航空飞行器和航天飞行器的通称，它是飞行控制系飞行器是航空飞行器和航天飞行器的通称，它是飞行控制系统的控制对象。在学习、了解飞行控制技术时，首先应当对统的控制对象。在学习、了解飞行控制技术时，首先应当对飞行器有所了解。飞行器有所了解。 众所周知，陆地为地球表面未被海水浸没的部分；海洋为地众所周知，陆

2、地为地球表面未被海水浸没的部分；海洋为地球表面广大的连续海水水体；大气层指地表以外包围地球的球表面广大的连续海水水体；大气层指地表以外包围地球的气体。这种气体在距地表数千千米的高层上仍有极少量存在。气体。这种气体在距地表数千千米的高层上仍有极少量存在。按照距地球高度划分通常大致可以把按照距地球高度划分通常大致可以把100120千米以下的千米以下的大气层称为稠密大气层，也称为大气环境或人类的第三环境；大气层称为稠密大气层，也称为大气环境或人类的第三环境；而而100120千米以上地球稠密大气层之外的广阔的空间区千米以上地球稠密大气层之外的广阔的空间区域，简称空间或外空，又称为宇宙空间或太空。域，简

3、称空间或外空，又称为宇宙空间或太空。绪论绪论 在在1981年召开的国际宇航联合会第年召开的国际宇航联合会第32届大会上，陆地、海届大会上，陆地、海洋、大气层和外层空间分别被称为人类的第一、第二、第三洋、大气层和外层空间分别被称为人类的第一、第二、第三和第四环境。陆、海、空、天是人类活动的四大疆域。而第和第四环境。陆、海、空、天是人类活动的四大疆域。而第四环境是随着航天技术的诞生而出现的。四环境是随着航天技术的诞生而出现的。 简言之，飞行器在稠密大气层以下飞行，被誉为航空，而在简言之，飞行器在稠密大气层以下飞行，被誉为航空，而在大气层以上飞行，被誉为航天。大气层以上飞行，被誉为航天。 航空技术主

4、要是研制飞机、气球和飞艇等，航天技术主要是航空技术主要是研制飞机、气球和飞艇等，航天技术主要是研制航天器、运载火箭和导弹。研制航天器、运载火箭和导弹。 这门课主要研究航空器这门课主要研究航空器-飞飞机。机。1.1 航空航天发展概况航空航天发展概况 1.1.1 航空发展概况航空发展概况 航空是航空是20世纪发展迅速、对人类社会影响巨大的科学世纪发展迅速、对人类社会影响巨大的科学技术领域之一。技术领域之一。20世纪初，美国的莱特兄弟（世纪初，美国的莱特兄弟（W.Wright, O.Wright）用自己制造的世界公认的第一架飞机，实现了）用自己制造的世界公认的第一架飞机，实现了人类首次持续的，有动力

5、的，可操纵的飞行，开创了现代人类首次持续的，有动力的，可操纵的飞行，开创了现代航空的新纪元。航空的新纪元。莱特兄弟莱特兄弟在技师泰勒的帮助下，自己动在技师泰勒的帮助下，自己动手设计制造的活塞式汽油发动机手设计制造的活塞式汽油发动机功率为功率为1212马力马力( (长期长期)-16)-16马力马力( (短期短期) )重量约重量约7777公斤公斤为人类首次有动力、稳定、可操纵的持为人类首次有动力、稳定、可操纵的持续飞行提供了发动机，续飞行提供了发动机，开创了人类飞行开创了人类飞行的新纪元。的新纪元。19031903年年1212月月1717日日飞行者一号飞行者一号莱特兄弟莱特兄弟第一架飞机1.1.1

6、 航空发展概况航空发展概况发动机发动机服役年代服役年代典型特点典型特点涡喷发动机涡喷发动机第一代第一代4040年代末年代末第二代第二代加力涡喷加力涡喷/ /涡扇涡扇50-6050-60年代年代第三代第三代推重比推重比8 8涡扇发动机涡扇发动机70-8070-80年代年代第四代第四代2121世纪初世纪初喷气战斗机大致发展了四代喷气战斗机大致发展了四代超声速巡航、隐超声速巡航、隐身、非常规机动身、非常规机动2 2倍以上声速倍以上声速2 2万米以上高度万米以上高度 从从2020世纪世纪4040年代末到年代末到2121世纪初，喷气战斗机及其发动机世纪初，喷气战斗机及其发动机已经历了四次更新换代，大致发

7、展了四代。已经历了四次更新换代，大致发展了四代。典型飞机典型飞机F-86F-86、米格、米格-15-15亚、跨声速亚、跨声速(M1.5)(M1.5)F4F4、F104F104、米格、米格-21/23-21/23F15/16F15/16、米格、米格-29-29、苏、苏-27-27高机动空中优势高机动空中优势多用途多用途推重比推重比1010涡扇发动机涡扇发动机F22/35F22/35、I.44I.44高性能的发动机使第三代战斗机具有优良的机动性高性能的发动机使第三代战斗机具有优良的机动性俄罗斯苏俄罗斯苏-27在 珠 海 航 展在 珠 海 航 展上 的 飞 行 表上 的 飞 行 表演 ， 表 现 出

8、演 ， 表 现 出第 三 代 发 动第 三 代 发 动机 推 重 比 高机 推 重 比 高的特点。的特点。高性能的发动机使第三代战斗机具有优良的机动性高性能的发动机使第三代战斗机具有优良的机动性苏苏-27双机在珠海航双机在珠海航展上表演著名的展上表演著名的“眼镜蛇眼镜蛇”机动飞行机动飞行，表现出第三代发，表现出第三代发动机抗畸变能力强动机抗畸变能力强（即泼辣性好）的（即泼辣性好）的特点。特点。第四代喷气战斗机第四代喷气战斗机 第四代战斗机正在研制，并即将服役。预计第四代战斗机正在研制，并即将服役。预计第四代战斗机将成为第四代战斗机将成为2121世世纪上半叶的主力战斗机纪上半叶的主力战斗机。第四

9、代战斗机。第四代战斗机装备推重比装备推重比1010一级发动机，一级发动机，具备具备推推力矢量、隐身、超声速巡航力矢量、隐身、超声速巡航等功能，其等功能，其作战性能将全面超过现役的第三代作战性能将全面超过现役的第三代战斗机。战斗机。 据报道，美国的第四代战斗机据报道，美国的第四代战斗机F-22F-22与第三代战斗机与第三代战斗机F-15F-15相比，其综合相比，其综合作战效能提高近作战效能提高近1010倍。倍。 第第 4 4 代战斗机的主要特点如下：代战斗机的主要特点如下： 采用推重比采用推重比1010一级加力涡扇发动机一级加力涡扇发动机 具有推力矢量功能具有推力矢量功能 非常规机动能力（敏捷性

10、）非常规机动能力（敏捷性） 超视距、多目标攻击能力超视距、多目标攻击能力 具有短距起落能力具有短距起落能力 良好的隐身性能良好的隐身性能 超声速巡航能力超声速巡航能力 F-35(JSF)采用推力矢量喷采用推力矢量喷管，通过改变喷管，通过改变喷气流方向来改变气流方向来改变推力方向，使飞推力方向，使飞机获得直接的操机获得直接的操纵力，实现非常纵力，实现非常规机动，提高敏规机动，提高敏捷性。捷性。四代发动机采用矢量喷管提高飞机敏捷性四代发动机采用矢量喷管提高飞机敏捷性配装配装F22F22战斗机的战斗机的F119F119发动机二元推力矢量喷管发动机二元推力矢量喷管改装轴对称矢改装轴对称矢量喷管发动机量

11、喷管发动机的俄罗斯苏的俄罗斯苏-37-37战斗机进行非战斗机进行非常规飞行表演常规飞行表演（钟形机动、（钟形机动、榔头机动）榔头机动）四代发动机采用转向喷管实现垂直四代发动机采用转向喷管实现垂直/短距起短距起落落F-35F-35联合攻击机所使用的第四代推重比联合攻击机所使用的第四代推重比1010一级一级F-135F-135发动机发动机采用转向喷管采用转向喷管+ +升力风扇实现垂直升力风扇实现垂直/ /短距起落短距起落采用转向喷管采用转向喷管/ /升力风扇的美国升力风扇的美国F-35F-35联合攻击机联合攻击机F-117F-117隐形攻击隐形攻击机采用了扁平状机采用了扁平状的矩形二元喷管，的矩形

12、二元喷管，具有良好的红外具有良好的红外隐身性能。在参隐身性能。在参加的数次局部战加的数次局部战争中，只被击落争中，只被击落1 1架，显示出强架，显示出强大的生存能力。大的生存能力。 第四代发动机由于推重比高，不用开加力就可以使飞第四代发动机由于推重比高，不用开加力就可以使飞机实现超声速飞行，使飞机性能得到了重大提高。机实现超声速飞行，使飞机性能得到了重大提高。美国美国F-22F-22战战斗机在斗机在1111公公里高空里高空巡航巡航速度达到音速度达到音速的速的1.51.5倍左倍左右。右。 19世纪末世纪末20世纪初，一些国家的航天科学家开始研究、世纪初，一些国家的航天科学家开始研究、解决有关航天

13、的科学理论和工程技术问题，并着手进行火箭解决有关航天的科学理论和工程技术问题，并着手进行火箭的设计和试验。经过大约半个世纪的努力，人类终于把人造的设计和试验。经过大约半个世纪的努力，人类终于把人造地球卫星送入了太空，从而开创了航天的新纪元。地球卫星送入了太空，从而开创了航天的新纪元。 1.1.2 航天发展概况航天发展概况 自自1957年年10月第一颗人造地球卫星上天以来，先后有月第一颗人造地球卫星上天以来，先后有苏联、美国、法国、日本、中国、印度等国家，以及欧洲空苏联、美国、法国、日本、中国、印度等国家，以及欧洲空间局研制出近百种运载火箭；修建了十多个大型航天器发射间局研制出近百种运载火箭；修

14、建了十多个大型航天器发射中心；设计制造了三千多棵人造地球卫星；一百多个载人飞中心；设计制造了三千多棵人造地球卫星；一百多个载人飞行器和空间探测器；建立了完善的跟踪和测控系统，地面模行器和空间探测器；建立了完善的跟踪和测控系统，地面模拟试验设施和数据处理系统。约有近六十个不同用途的应用拟试验设施和数据处理系统。约有近六十个不同用途的应用卫星系统投入运行。航天站已能在太空持续运行近五年。航卫星系统投入运行。航天站已能在太空持续运行近五年。航天员可以在太空持续工作近天员可以在太空持续工作近300天。天。 1.1.2 航天发展概况航天发展概况 美国航天飞机成功地进行了几十次的飞行，完成了运送美国航天飞

15、机成功地进行了几十次的飞行，完成了运送和回收卫星的双向运载任务，成为人类沟通地球和太空的理和回收卫星的双向运载任务，成为人类沟通地球和太空的理想航天运输工具，使航天活动进入一个新阶段。已有想航天运输工具，使航天活动进入一个新阶段。已有18个个国家的约国家的约200名航天员进入了太空，名航天员进入了太空，12个人踏上了月球。空个人踏上了月球。空间探测器已成功地考察了太阳系的许多行星；实现了在金星间探测器已成功地考察了太阳系的许多行星；实现了在金星和火星上的软着陆；探测了水星、木星、土星；有的还将飞和火星上的软着陆；探测了水星、木星、土星；有的还将飞出太阳系，对宇宙进行科学探索。出太阳系，对宇宙进

16、行科学探索。1.1.2 航天发展概况航天发展概况 我国航空事业的蓬勃发展是在新中国成立后开始的。我国航空事业的蓬勃发展是在新中国成立后开始的。50年代初我国才刚刚组建起航空工业管理局，成立飞机、发动年代初我国才刚刚组建起航空工业管理局，成立飞机、发动机和材料工艺等方面的研究机构。机和材料工艺等方面的研究机构。1954年研制出我国第一年研制出我国第一架教练机（初教架教练机（初教-5）。）。1956年试制成功第一架喷气歼击机年试制成功第一架喷气歼击机（歼（歼-5）。）。1958年小型多用途的运输机（运年小型多用途的运输机（运-5）投入广泛使）投入广泛使用。同年。自行设计制造了初教用。同年。自行设计

17、制造了初教-6。1959年第一架超音速年第一架超音速喷气歼击机歼喷气歼击机歼-6飞上蓝天，实现了我国航空工业从修理到制飞上蓝天，实现了我国航空工业从修理到制造、从仿制到自行设计生产的重大转变。造、从仿制到自行设计生产的重大转变。 1.1.3 我国的航空航天事业概况我国的航空航天事业概况 60年代初建立了中国航空研究院和一整套的科研、生产年代初建立了中国航空研究院和一整套的科研、生产和教育机构，全面开始从事飞机、发动机、仪表、电器、附和教育机构，全面开始从事飞机、发动机、仪表、电器、附件、电子设备、自动控制和航空武器的设计研究。大力开展件、电子设备、自动控制和航空武器的设计研究。大力开展了空气动

18、力、结构强度、燃气涡轮、风洞技术、生命保障、了空气动力、结构强度、燃气涡轮、风洞技术、生命保障、材料工艺、导航控制、系统仿真和飞行试验等方面的应用研材料工艺、导航控制、系统仿真和飞行试验等方面的应用研究。中国的航空工业形成了科研、生产和教育密切结合的完究。中国的航空工业形成了科研、生产和教育密切结合的完整体系。整体系。 1.1.3 我国的航空航天事业概况我国的航空航天事业概况 70年代初，我国生产制造的全天候高速歼击机和低空性年代初，我国生产制造的全天候高速歼击机和低空性能优异的强击机都正式装备了部队，各种新型飞机也日益增能优异的强击机都正式装备了部队，各种新型飞机也日益增多。现在我国已能研制

19、、生产各种型号的歼击机、轰炸机、多。现在我国已能研制、生产各种型号的歼击机、轰炸机、强击机、直升机、侦察机以及各种型号的战术导弹，为空军、强击机、直升机、侦察机以及各种型号的战术导弹，为空军、海军提供了军事技术装备，满足了民航事业的部分需要，并海军提供了军事技术装备，满足了民航事业的部分需要，并向世界上一些国家出口。向世界上一些国家出口。 1.1.3 我国的航空航天事业概况我国的航空航天事业概况参加国庆参加国庆 50周年空中阅兵式的飞机周年空中阅兵式的飞机“轰轰6”轰炸机轰炸机“轰轰6”加油机加油机“飞豹飞豹”歼击歼击/轰炸机轰炸机“歼歼7”战斗机战斗机“歼歼8II”战斗机战斗机“苏苏27”战

20、斗机战斗机“直直9”直升机直升机“轰六轰六”型轰炸机型轰炸机高亚声速中程战略轰炸机高亚声速中程战略轰炸机1968 年底首飞，年底首飞，1969 年投产，有轰年投产，有轰六甲、轰六丁、空六甲、轰六丁、空中加油机等改型，中加油机等改型，是我国生产的最大是我国生产的最大的军用飞机的军用飞机起飞重量起飞重量 73800 公斤公斤载弹量载弹量 3000 公斤公斤 最大最大 9000 公斤公斤巡航速度巡航速度 M 0.75最大航程最大航程 6000 公里公里1967年年10月月16日徐克勤驾驶轰六日徐克勤驾驶轰六成功地投放氢弹成功地投放氢弹 “飞豹飞豹” 歼击歼击/轰炸机轰炸机我国自行研制的双我国自行研制

21、的双座、双发、多用途座、双发、多用途全天候超声速歼击全天候超声速歼击轰炸机轰炸机1998年年11月珠海航月珠海航空航天博览会上首空航天博览会上首次公开亮相次公开亮相, 并作并作了极为精彩的飞行了极为精彩的飞行表演，给世人一个表演，给世人一个惊喜！惊喜！飞行中的飞行中的“飞豹飞豹”最大平飞速度：最大平飞速度：M 1.7 航程：约航程：约3600公里公里 起飞重量：起飞重量：28400公斤公斤 外挂重量：外挂重量：6500公斤公斤最大平飞速度最大平飞速度( (高空高空) )：M 2.05M 2.05 （约（约21772177公里公里/ /小时）小时）航程：航程： 约约 15001500公里公里起飞

22、重量：起飞重量： 7370 7370 公斤公斤 1966 年年 1月月 17 日首飞，为典型的第日首飞，为典型的第2代战斗机代战斗机有多种改型：有多种改型：歼七歼七、歼七、歼七、 歼七歼七M、歼七歼七、歼七、歼七MG、歼七歼七E、歼教七歼教七等。等。空、海军分别用它击落入侵敌机空、海军分别用它击落入侵敌机7 架，高空侦察气球架，高空侦察气球 300 余个。余个。空军八一飞行表演大队使用空军八一飞行表演大队使用歼七歼七E。“歼七歼七”系列战斗机系列战斗机“歼八歼八”战斗机战斗机我国自行研制的高空、高速全天候战斗机我国自行研制的高空、高速全天候战斗机属第属第2 2代战斗机代战斗机设计工作始于设计工

23、作始于19831983年年19841984年年6 6月月1212日首飞，随后投入生产。日首飞，随后投入生产。最大飞行速度：最大飞行速度：M 2.2 起飞重量：起飞重量：15258 公斤公斤“苏苏-27” 型战斗机型战斗机俄制第俄制第3 3代多用途空中优势战斗代多用途空中优势战斗机，机，19841984年服役，为俄罗斯现役年服役，为俄罗斯现役主力战斗机，也是目前世界上最主力战斗机，也是目前世界上最先进的战斗机之一。先进的战斗机之一。最大平飞速度最大平飞速度 M 2.36起飞重量起飞重量 22000公斤公斤航程航程 3900公里公里作战半径作战半径 1500公里公里 “直九直九”轻型、多用途直升机

24、轻型、多用途直升机 起飞重量：起飞重量：3850 3850 公斤公斤最大平飞速度：最大平飞速度：306 306 公里公里/ /小时小时 航程：航程：10001000公里公里1980年引进法国专年引进法国专利进行生产利进行生产1992年国产化的直年国产化的直九首飞成功。九首飞成功。强强5 5强击机强击机超超7 7“枭龙枭龙”战斗机战斗机运运7 7运输机运输机运运8 8运输机运输机直直1111武直武直1010第一架武直第一架武直-10原型机在原型机在2003年年4月完成月完成较早曝光的武直较早曝光的武直-10三号原型机首次试飞，三号原型机首次试飞，尔后陆续制造了尔后陆续制造了8架原型机与预量产型，

25、架原型机与预量产型，至至2006年累积了年累积了400小时的飞行时数。小时的飞行时数。19991999年年9 9月份开始，直月份开始，直-11-11原型机前原型机前往中国飞行试验研究院，进行设计往中国飞行试验研究院，进行设计定型试飞。定型试飞。20002000年年1010月，直月，直-11-11圆圆满完成了试飞大纲所规定的全部设满完成了试飞大纲所规定的全部设计定型试飞科目。计定型试飞科目。中国已经公开的最新型军用运输机是中国已经公开的最新型军用运输机是运运-20。2013年年1月月26号下午号下午14时许，中国首款自主战略重型运输机时许，中国首款自主战略重型运输机运运-20在跑在跑道上加速后顺

26、利起飞，运道上加速后顺利起飞，运-20在试飞现场上空盘旋，在试飞现场上空盘旋，14时时50分左右在观分左右在观礼台前低空通场。试飞全程由一架歼礼台前低空通场。试飞全程由一架歼-15伴飞并拍摄试飞情况。随后运伴飞并拍摄试飞情况。随后运-20于于15时安全着陆，首飞取得成功。时安全着陆，首飞取得成功。1.2 飞行器的基本分类及组成飞行器的基本分类及组成1.2.1 航空器分类航空器分类航空器分类.doc 轻于空气的飞行器又称空气静力飞行器，升力由空气的轻于空气的飞行器又称空气静力飞行器，升力由空气的浮力产生；重于空气的飞行器又称空气动力飞行器，升力由浮力产生；重于空气的飞行器又称空气动力飞行器，升力

27、由航空器相对空气运动产生；按升力的产生方式又分为定翼航航空器相对空气运动产生；按升力的产生方式又分为定翼航空器和动翼航空器。定翼航空器的升力由固定机翼产生，有空器和动翼航空器。定翼航空器的升力由固定机翼产生，有动力装置的称为飞机，无动力装置的称为滑翔机。动力装置的称为飞机，无动力装置的称为滑翔机。1.2.1 航空器分类航空器分类 基于阿基米德浮力原理，轻于空气的飞行 热气球、氢（氦）气球、飞艇 提供直接升力的飞行（需要动力) 火箭、垂直起落飞机 基于柏努利原理，以速度换取升力的飞行（需要动力） 固定翼飞机、直升机、旋翼机飞行器飞行原理飞行器飞行原理-三种基本途径（两种需要动力）：三种基本途径（

28、两种需要动力）：1.2.1 航空器分类航空器分类基于基于柏努利原理，柏努利原理，飞机飞行的三个基本条件：飞机飞行的三个基本条件： 动力（发动机） 产生升力的装置（机翼） 姿态的控制（舵面）喷气式飞机的几个第一喷气式飞机的几个第一飞得最快的飞机飞得最快的飞机速度：速度：3529.47km/h机型：美国机型：美国SR71时间：时间：1976年年7月月28日日喷气式飞机的几个第一喷气式飞机的几个第一飞得最高的飞机飞得最高的飞机高度：高度：37650米米机型：前苏联机型：前苏联Mig25时间：时间：1977年年8月月31日日喷气式飞机的几个第一喷气式飞机的几个第一载重最多的飞机载重最多的飞机最大载重：最大载重：275吨吨机型：俄罗斯机型：俄罗斯An-225时间：时间：2001年年5月月7日日飞得最快的超声速客机飞得最快的超声速客机-协和号协和号飞得最远的飞机飞得最远的飞机-旅行者号旅行者号形形色色的各种军用飞机形形色色的各种军用飞机战略轰炸机战略轰炸机预预 警警 机机反反 潜潜 机机军军 用用 运运 输输 机机侦侦 察察 机机电子战飞机电子战飞机空空 中中 加加 油油 机机无无 人人 机机气球气球齐柏林飞艇齐柏林飞艇1.2 飞行器的基本分类及组成飞行器的基本分类及组成1.2.2 航空器航空器-飞机的组成飞机的组成 飞机是主要的、应用范围最广的重于空气的航空器。飞飞机是主要的、应