《航空概论》课件 05 飞行原理与性能

航空概论第一章飞行原理与性能XXXX学院主讲教师：XXX飞机的运动坐标系2大地坐标系：固定于地球表面，用于描述飞机相对地球的位置，坐标轴有明确地理指向，应用于航空导航、机场交通管制等。飞机的运动坐标系3机体坐标系：固定在飞机机体上，以重心为原点，体现飞机俯仰、滚转和偏航等姿态变化，飞机可绕横轴俯仰、绕立轴偏航、绕纵轴横滚。飞机的运动坐标系4气流坐标系：以重心为原点，X轴与飞行速度矢量方向一致，用于分析飞机与气流的相互作用（如升力、阻力）及计算升力系数、阻力系数等。航迹坐标系：以重心为原点，X轴沿航迹切线方向，用于描述飞机飞行轨迹及其变化，应用于飞行轨迹规划、飞行控制等。飞机的运动坐标系5坐标系之间的关联：大地坐标系与机体坐标系：通过俯仰角、滚转角、偏航角联系，实现运动和力的转换。机体坐标系与气流坐标系：依靠迎角和侧滑角转换，对分析气动力关键。气流坐标系与航迹坐标系：通过航迹角和航迹倾斜角联系，用于分析飞行性能。大地坐标系与航迹坐标系：通过飞行轨迹及地面坐标系位置信息建立联系，配合导航设施引导飞行。飞机受到的作用力6飞机受到的作用力7重力：始终需要克服的力，影响飞行高度和姿态，飞机需产生足够升力平衡重力。起飞和降落阶段影响显著，飞行员需精确控制速度和姿态。飞行中重量会变化（如投弹、消耗燃油等），估算性能时常取定值，不同计算问题采用不同重量。飞机受到的作用力8飞机受到的作用力9空气动力（升力、阻力、侧力）：升力：使飞机飞行的关键力，与飞行速度、高度、气流相对方位及迎角等有关，飞行员通过操纵姿态和速度调整升力，实现上升、下降、平飞等。阻力：阻碍飞机前进的力，包括摩擦阻力（空气与飞机表面摩擦）、压差阻力（前后压力差）、诱导阻力（与机翼产生升力有关）、波阻（接近或超过音速时产生）。阻力会降低速度、消耗功率、增加燃油消耗，需通过优化设计等减小。侧力：飞机存在侧滑角时，垂直于对称平面的力，与侧滑角、外形和空气动力特性等有关，会导致侧滑，影响方向和稳定性，飞行员需操纵方向舵平衡，在转弯等机动中起重要作用。飞机受到的作用力10推力：飞机飞行的动力来源，用于克服阻力，保持前进速度，大小取决于发动机类型、功率及飞行状态。不同发动机（活塞式、涡喷、涡桨等）产生推力的原理和大小不同。影响因素：与发动机转速（转速特性曲线）、飞行速度（速度特性曲线）、飞行高度（高度特性曲线）有关。固定翼飞机11基本飞行状态：主要飞行状态：起飞、着陆、等速上升/下降、上升/下降转弯、巡航飞行、机动飞行等。性能分类：等速直线飞行性能（爬升、下滑、平飞）、巡航性能、起飞着陆性能、机动飞行性能，其中前两者为基本飞行性能。等速直线平飞：水平方向推力与阻力平衡，垂直方向升力与重力平衡。基本飞行状态固定翼飞机12爬升性能：指在铅垂平面内沿直线轨迹匀速爬升的能力，受升力、阻力、拉力、重力影响，需满足稳定上升条件固定翼飞机13爬升性能：衡量指标：爬升率：单位时间上升高度，反映上升快慢。爬升梯度：爬升高度与水平距离的比值。爬升角：爬升轨迹与水平面的夹角。升限：最大飞行高度固定翼飞机14下滑性能：指在铅垂平面内沿倾斜轨迹匀速下降的能力，重力沿飞行方向分力与阻力平衡，升力与重力垂直轨迹分力平衡。固定翼飞机15下滑性能：滑翔比：下滑距离与下滑高度之比，等于升阻比（无风零拉力时），是重要性能指标。衡量指标：下滑角、下滑速度、下降率（ROD）、下滑梯度。固定翼飞机16巡航性能：最大平飞速度：发动机最大推力时的平飞速度。最小平飞速度：特定高度下能稳定水平飞行的最低速度（即将失速前的速度）。巡航速度：单位距离燃油消耗最少的速度，经济性最好，航程最远。航程：不加油时以特定状态飞越的最大距离。航时：在空中持续飞行的时间。固定翼飞机17风对基本飞行性能的影响：顺风：增加地速，水平移动距离更远，爬升/下滑角变小（地面观察）。逆风：减小地速，水平移动距离缩短，爬升/下滑角变大（地面观察）。侧风：改变地速方向，产生侧向力，增加阻力，影响爬升/下滑速度和轨迹。固定翼飞机18起飞性能：过程：地面滑跑（发动机推力克服摩擦和阻力加速，机翼产生升力）→离地上升（升力大于重力，加速上升至安全高度）。固定翼飞机19起飞性能：衡量指标：起飞滑跑距离、离地速度、起飞安全速度、起飞爬升梯度。起落架类型：前三点式（稳定性好、方向稳定、视界好等）优于后三点式（稳定性差、操纵难等）。固定翼飞机20着陆性能：过程：进场（调整高度、速度、对准航迹）→下滑（建立下滑道，稳定速度和姿态）→拉平（减小下降率）→接地（主起落架先接地）→着陆滑跑（减速至停止）。减速方式：刹车系统、反推装置、扰流板等。固定翼飞机21道面状态对起降的影响：道面摩擦系数影响起飞加速和着陆减速，需评估道面是否有积水、冰雪等（不同状态摩擦系数不同）。阻力伞可辅助减速，尤其适用于军用飞机和特殊情况。。固定翼飞机22侧风对起降的影响：侧风分量通过风分量图计算，不同机型有最大侧风限制（示范侧风速度），需结合道面情况判断是否符合起降标准。固定翼飞机23侧风对起降的影响：固定翼飞机24失速定义：迎角超过临界迎角，升力突然大幅下降，无法维持正常飞行的状态（与速度无关，与迎角有关）。失速与螺旋固定翼飞机25失速机理：迎角过大导致机翼附面层气流分离，升力系数急剧下降。固定翼飞机26失速原因：迎角过大、飞行速度低于失速速度、恶劣天气（乱流、风切变）、重心位置不当等。表现：飞机抖动、速度下降、高度下降、操纵困难。预防措施：设计上采用翼刀、机翼扭转、前缘缺口等；飞行中避免迎角过大。改出方法：迅速减小迎角（推杆）、合理增加动力、协调操纵舵面。固定翼飞机27失速预防措施：固定翼飞机28螺旋失速未妥善处理恶化而成，飞机急剧滚转和偏转，沿螺旋线急剧下降。改出方法：制止机翼自转（向反方向蹬舵）和改出失速（推杆减小迎角）。固定翼飞机29机动飞行指高度、速度和方向等迅速变化的飞行，常见类型：盘旋、筋斗、战斗转弯、俯冲等。直升机30旋翼的工作原理旋翼由桨毂和桨叶组成，类似大展弦比机翼，通过旋转产生升力（伯努利原理：上下表面压力差）直升机31旋翼的工作原理直升机32操纵方式：总距操纵：调整旋翼总距，改变拉力，实现升降。周期变距操纵：通过自动倾斜器使桨叶安装角周期性改变，实现前后左右运动。航向操纵：控制尾桨桨距，平衡旋翼反扭矩，改变机头指向直升机33反扭矩平衡：双旋翼（旋转方向相反，力矩抵消）或尾桨（产生拉力/推力平衡力矩）直升机34直升机的飞行性能：悬停：一定高度上保持航向和位置不变，受空气密度、重量、风等影响，有静升限（最大悬停高度）静升限受地面效应、风向风速、大气温度、飞行总重等影响直升机35直升机的飞行性能：垂直上升/下降：上升率（垂直上升速度）是重要指标；垂直下降可能进入“涡环状态”（危险状态）直升机36直升机的飞行性能：平飞：有最大/最小平飞速度、经济速度（所需功率最小）、有利速度（航程最远）等直升机的最大平飞速度除了受功率条件的限制之外，还受到桨叶在270方位附近气流分离的限制和90方位附近空气压缩性的限制直升机37直升机的飞行性能：后飞（速度受限，稳定性差）侧飞（速度小，受力不对称）起飞（垂直或滑跑起飞）着陆（垂直或滑跑着陆，发动机停机时可自转着陆）直升机38特殊飞行状态：旋翼失速：高速前飞时后行桨叶迎角过大或前行桨叶激波导致，表现为转速下降、掉高度、操纵性变差等，改出方法为减小总距、降低空速等。旋翼失速后，直升机会产生现象：旋翼转速下降直升机掉高度操纵性变差机体振动和倾斜直升机39特殊飞行状态：旋翼自转：发动机失效时，旋翼在气流作用下旋转产生升力，可安全着陆。在垂直自转下降过程中，将桨盘分为3个区：（1）制动区：靠近桨尖，约占30%旋翼半径。气动合力方向偏向旋翼旋转轴后侧，产生的阻力减缓桨叶的旋转。（2）驱动区：也叫自转区，处在25%到70%旋翼半径之间。气动合力方向偏向旋翼旋转轴前侧，其分量提供驱动力，使旋翼加速旋转。（3）失速区：靠近旋翼轴的内侧区域，约占25%旋翼半径。此区域的桨叶角超过临界迎角，产生的阻力使桨叶旋转减慢。直升机40特殊飞行状态：涡环状态：垂直下降时气流形成环状涡流，升力减小、操纵性变差，改出方法为增加前飞速度、调整桨距等。直升机41特殊飞行状态：尾桨失效：危险状态，需进入自转状态，控制姿态迫降。直升机尾桨失效是一个极其危险的情况，需要飞行员能够迅速识别并采取正确的改出措施。其他类型航空器42旋翼机：由自转旋翼提供升力，螺旋桨提供推力，需滑跑起飞，不能悬停，安全性高（发动机失效可滑翔）自转旋翼机的特点是：该飞行器具有极端慢速的飞行能力和在极低高度的飞行能力。其他类型航空器43浮空器：依靠轻于空气的气体（氦气、氢气、热空气）产生浮力（阿基米德原理），包括飞艇、热气球等。热气球通过加热空气控制升降；飞艇可通过舵面操纵和推进系统前飞。浮空器的升力主要依赖于内部充满的轻于空