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文檔簡介

飛機的運動參數(shù)和常用坐標系及飛機的操縱機構(gòu)1.常用坐標系(5種)2.飛機的運動參數(shù)定義3.常用坐標系之間的變換4.歐美系和蘇式坐標系的區(qū)別和聯(lián)系5.常規(guī)飛機的操縱機構(gòu)和操縱舵面極性1精選版課件ppt剛體飛行器的空間運動可以分為兩部分:質(zhì)心運動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動。描述任意時刻的空間運動需要六個自由度:三個質(zhì)心運動和三個角運動。作用在飛機上的重力、推力和氣動力及其相應(yīng)的力矩產(chǎn)生原因各不相同,選擇合適的坐標系來方便的描述飛機的空間運動狀態(tài)是非常重要的。在一般情況下,由于飛機均在大氣層內(nèi)飛行,其飛行高度有限,為了簡化所研究問題的復(fù)雜性,有必要進行下列合理假設(shè):①忽略地球曲率,即采用所謂的“平板地球假設(shè)”;②認為地面坐標系為慣性坐標系。2精選版課件ppt一、常用坐標系(歐美系)1.地面坐標系地面任意點,水平面任意方向,垂直地面指向地心,水平面(地平面),符合右手規(guī)則。地面坐標系常用于指示飛機的方位,近距離導(dǎo)航和航跡控制3精選版課件ppt2.機體坐標系飛機質(zhì)心位置,取飛機設(shè)計軸指向機頭方向,處在飛機對稱面垂直指向下方,垂直面指向飛機右側(cè),符合右手規(guī)則。機體坐標系常用來描述飛機的氣動力矩和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動4精選版課件ppt橫軸縱軸立軸俯仰滾轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)5精選版課件ppt3.氣流坐標系,也稱速度坐標系飛機質(zhì)心位置,取氣流速度方向處在飛機對稱面垂直指向下方,垂直面指向飛機右側(cè),符合右手規(guī)則。速度坐標系常用來描述飛機的氣動力若無側(cè)滑,則氣流系橫軸和機體系橫軸一致6精選版課件ppt4.穩(wěn)定坐標軸系(Stabilitycoordinateframe)Ss-------Oxsyszs①原點O取在飛機質(zhì)心處,坐標系與飛機固連②xs軸與氣流速度V在飛機對稱平面內(nèi)的投影重合一致③zs軸在飛機對稱平面與xs軸垂直并指向機腹下方,與氣流系Zw一致④ys軸與機體軸yb重合一致

穩(wěn)定坐標軸系和機體軸差一個迎角,機體系繞Oy軸向下轉(zhuǎn)一個迎角得穩(wěn)定系,穩(wěn)定系再繞立軸向右轉(zhuǎn)一個側(cè)滑角即得氣流系

7精選版課件ppt5.航跡坐標軸系①原點O取在飛機質(zhì)心處,坐標系與飛機固連②xk軸與航跡飛行速度Vk重合一致③zk軸在位于包含飛行速度Vk在內(nèi)的鉛垂面內(nèi),與xk軸垂直并指向下方④yk軸垂直于Oxkzk平面并按右手定則確定航跡飛行速度,飛機相對于地面的飛行速度,其水平分量即為地速在無風時,航跡系Ox軸和氣流坐標系相同,航跡系繞Ox軸轉(zhuǎn)動一個航跡滾轉(zhuǎn)角得到氣流系,地面系繞OZ軸轉(zhuǎn)一個航跡方位角,在繞Oy軸轉(zhuǎn)一個航跡傾斜角得航跡系8精選版課件ppt飛機的運動參數(shù)1.姿態(tài)角(Euler角)飛機的姿態(tài)角是由機體坐標系和地面坐標系之間的關(guān)系確定的①俯仰角—機體軸與地平面平面的夾角,時與軸方向一致,俯仰角抬頭為正;②偏航角—機體軸在地平面平面的投影與軸的夾角,與軸方向一致,垂直于地平面,右偏航為正;③滾轉(zhuǎn)角—軸與包含軸的垂直平面的夾角,與軸方向一致,右滾轉(zhuǎn)為正。9精選版課件ppt歐拉角(姿態(tài)角)10精選版課件ppt航跡角

航跡角是由航跡坐標系于地面坐標系之間的關(guān)系確定的。①航跡傾斜角—航跡速度矢量與地平面之間的夾角;在地平面內(nèi)指向含Vk的鉛垂面右側(cè),沿航跡系的oy軸②航跡方位角—速度矢量在地平面的投影與軸的夾角,其速度矢量沿地面系的OZ軸;③航跡滾轉(zhuǎn)角—軸與包含軸的垂直平面的夾角,速度矢量沿航跡系OX軸。11精選版課件ppt氣流角是由氣流速度矢量與機體坐標系之間的關(guān)系確定的①迎角,也稱攻角—氣流速度矢量在飛機對稱面的投影與軸的夾角,以速度投影在軸下為正,當時

迎角速度矢量沿機體系或穩(wěn)定系oy軸負方向②側(cè)滑角—飛機速度矢量與飛機對稱面的夾角,當時,。側(cè)滑角速度矢量沿穩(wěn)定系或氣流系的oz軸。12精選版課件ppt迎角不同于飛機的姿態(tài)角13精選版課件ppt5個軸系之間的關(guān)系14精選版課件ppt定義了三個歐拉角,由地面系先繞立軸右轉(zhuǎn)偏航角,再繞橫軸轉(zhuǎn)俯仰,再繞縱軸轉(zhuǎn)滾轉(zhuǎn)得機體系地面系和機體系的關(guān)系15精選版課件ppt穩(wěn)定系和機體系的關(guān)系穩(wěn)定坐標軸系和機體軸差一個迎角,機體系繞橫軸向下轉(zhuǎn)一個迎角得穩(wěn)定系16精選版課件ppt穩(wěn)定系和氣流系的關(guān)系穩(wěn)定系繞立軸向右轉(zhuǎn)一個側(cè)滑角即得氣流系17精選版課件ppt航跡系和地面系的關(guān)系地面系繞立軸轉(zhuǎn)一個航跡方位角,再繞橫軸轉(zhuǎn)一個航跡傾斜角得航跡系18精選版課件ppt航跡系和氣流系的關(guān)系(無風時)無風時,航跡系Ox軸和氣流坐標系相同,航跡系繞縱軸轉(zhuǎn)動一個航跡滾轉(zhuǎn)角得到氣流系關(guān)于有風時二者關(guān)系的推導(dǎo)參見魯?shù)婪虿紕诳撕浪怪讹w行控制》第40頁19精選版課件ppt5個軸系之間的關(guān)系20精選版課件ppt機體坐標系的角速分量機體坐標系的三個角速度分量,,是機體坐標系相對于地面坐標系的轉(zhuǎn)動角速度在機體坐標系各軸上的分量。①角速度,與機體軸重合一致;②角速度,與機體軸重合一致;③角速度,與機體軸重合一致。應(yīng)當注意:上述三個角速度分量,在有些教材中分別表述成滾轉(zhuǎn)角速度、俯仰角速度和偏航角速度,其實是不準確的。這樣容易被理解成滾轉(zhuǎn)角速度,俯仰角速度和偏航角速度,而只有在俯仰角為零且偏航角也為零時才等于,只有在飛機無滾轉(zhuǎn)且無偏航時才等于,只有在無滾轉(zhuǎn)或無偏航時才等于。21精選版課件ppt機體坐標系的角速度分量與姿態(tài)角變化率之間的關(guān)系上述表達形式還可以用四元數(shù)(Quaternion)法計算,四元數(shù)法具體的表述參見肖業(yè)倫著《航空航天器運動的建?!w行動力學(xué)的理論基礎(chǔ)》第九章(北航出版社,2003)22精選版課件ppt機體坐標系的速度分量機體坐標系的三個速度分量(,,)是飛行速度在機體坐標系各軸上的分量。①:與機體軸重合一致;②,與機體軸重合一致;③,與機體軸重合一致。23精選版課件ppt常用坐標系之間的轉(zhuǎn)換為了方便地描述飛機的空間運動狀態(tài),必須選擇合適的坐標系。通常將作用在飛機機體上的力和力矩分別投影到機體坐標系中來分析飛機的角運動,而氣流坐標系主要通過兩個氣流角和來描述飛機相對于氣流的位置,進而確定作用在飛機上空氣動力的大小。如果選機體坐標系來描述飛機的空間轉(zhuǎn)動狀態(tài),則推力可以直接在機體坐標系中表示,而氣動力則要有氣流坐標系轉(zhuǎn)換到機體坐標系,重力則需要從地面坐標系轉(zhuǎn)換到機體坐標系,這樣才能夠使得作用在不同坐標系中的力統(tǒng)一到所選定的坐標系中,進而建立沿各個坐標軸的力的方程以及繞各軸的力矩方程。所以,坐標系之間的轉(zhuǎn)換是建立飛機運動方程不可缺少的重要環(huán)節(jié)。24精選版課件ppt順時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換矩陣25精選版課件ppt轉(zhuǎn)換矩陣的性質(zhì)26精選版課件ppt預(yù)備知識基元旋轉(zhuǎn)基元旋轉(zhuǎn),坐標系繞它的一個軸旋轉(zhuǎn)繞軸的旋轉(zhuǎn)矩陣繞軸的旋轉(zhuǎn)矩陣繞軸的旋轉(zhuǎn)矩陣沿軸正向看是順時針旋轉(zhuǎn)沿軸正向看是順時針旋轉(zhuǎn)沿軸正向看是順時針旋轉(zhuǎn)但坐標排列次序相反但坐標排列次序相反27精選版課件ppt轉(zhuǎn)換矩陣的計算和旋轉(zhuǎn)順序的選擇原則轉(zhuǎn)換矩陣的計算坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣可以通過若干個基元矩陣依次左乘得到旋轉(zhuǎn)順序的選擇原則使Euler角有明確的物理意義遵循工程界的傳統(tǒng)習慣使Euler角可測量28精選版課件ppt從地面坐標系到機體坐標系的轉(zhuǎn)換

①從地面坐標系轉(zhuǎn)動偏航角到過渡坐標系,即②從過渡坐標系轉(zhuǎn)動俯仰角到過渡坐標系,即③從過渡坐標系轉(zhuǎn)動滾轉(zhuǎn)角到機體坐標系,即29精選版課件ppt由地面坐標系到機體坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣(方向余弦陣DCM)為一定要注意變換的次序。先偏航,再俯仰,再滾轉(zhuǎn)30精選版課件ppt機體坐標系和氣流坐標系之間的轉(zhuǎn)換①從機體坐標系轉(zhuǎn)動迎角到穩(wěn)定坐標系,即有②再從穩(wěn)定坐標系轉(zhuǎn)動側(cè)滑角到氣流坐標系,即③由機體坐標系到氣流坐標系的轉(zhuǎn)換陣為為什么?31精選版課件ppt地面坐標系與航跡坐標系的轉(zhuǎn)換采用和從地面坐標系到機體坐標系類似的轉(zhuǎn)換次序,先轉(zhuǎn)出航跡方位角,再旋轉(zhuǎn)出航跡傾斜角,得到從地面坐標系到航跡坐標系的轉(zhuǎn)換方向余弦陣32精選版課件pptAABOCDBAOCD33精選版課件ppt歐拉軸坐標系的變換矩陣可以用歐拉轉(zhuǎn)軸和歐拉轉(zhuǎn)角表示。理論力學(xué)中的歐拉定理:剛體繞固定點的任意位移,可以由繞通過該固定點的某一軸轉(zhuǎn)動一個角度得到。歐拉軸,代表坐標系旋轉(zhuǎn)方向的矢量,該矢量在變換前后兩坐標系中的分量相同。歐拉轉(zhuǎn)角,繞歐拉軸的轉(zhuǎn)角其中為歐拉軸在原坐標系各軸上的分量具體推導(dǎo),參見章仁為著《衛(wèi)星軌道姿態(tài)動力學(xué)與控制》第五章,北京航空航天大學(xué)出版社,1998再進一步可以將其表示成四元數(shù)的形式34精選版課件pptA35精選版課件ppt蘇式坐標系及其姿態(tài)角定義蘇式坐標系也是右手坐標系,與歐美系不同的是:oy軸向上,oz軸垂直于oxy平面向右36精選版課件ppt鉛垂面zhxdzdyd水平面xh(V)sOyhsO:飛機質(zhì)心Oxh:沿速度矢Oxhyh:鉛垂面(指向上為正)Ozh:水平面內(nèi)航跡軸系syqzqs37精選版課件ppt鉛垂面ztxdzdyd水平面xt飛機對稱面OytO:飛機質(zhì)心Oxt

:沿對稱面內(nèi)參考線(指向機頭為正)Oyt:對稱面內(nèi)(指向上為正)Ozt:指向右為正機體軸系38精選版課件pptztxq(V)zqyqxt飛機對稱面OytYZQO:飛機質(zhì)心Oxq

:沿速度矢Oyq:對稱面內(nèi)(指向上為正)Ozq:指向右為正氣流軸系39精選版課件ppt地面軸系機體軸系氣流軸系航跡軸系軸系間關(guān)系,s,,s,(無風時)40精選版課件pptztxt飛機對稱面OytMzMxMyxyzVyVxVz體軸系分量41精選版課件ppt蘇式坐標和歐美坐標的對應(yīng)關(guān)系42精選版課件ppt蘇式坐標和歐美坐標的對應(yīng)關(guān)系(續(xù))43精選版課件ppt蘇式坐標和歐美坐標的對應(yīng)關(guān)系(續(xù))44精選版課件ppt蘇式坐標系和歐美坐標系的相同點都是右手坐標系;迎角、側(cè)滑角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、航跡傾斜角、航跡滾轉(zhuǎn)角定義相同;坐標變換遵從同樣的變換規(guī)律,只是符號不同。45精選版課件ppt蘇式坐標系和歐美坐標系的不同蘇式坐標立軸向上偏航角、航跡方位角定義與歐美系相反;偏航角速率方向也相反46精選版課件ppt常規(guī)飛機的操縱機構(gòu)及操縱舵面常規(guī)飛機的操縱機構(gòu)主要有三個:駕駛桿、腳蹬、油門桿,常規(guī)氣動舵面有三個升降舵、副翼、方向舵。升降舵,位于水平安定面后緣,操縱桿操縱。方向舵,位于垂直安定面后緣,腳蹬操縱。副翼,位于主機翼翼后緣外側(cè),駕駛桿操縱。油門桿,發(fā)動機油量控制,位于駕駛艙。47精選版課件ppt飛機的縱向操縱和升降舵的極性飛機的縱向操縱,依靠位于機身尾部的裝在水平安定面后緣的升降舵或全動平尾來進行。駕駛桿通過傳動機構(gòu)(拉桿或鋼、液壓助力器、舵機等)與升降舵相連,

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