《Fundamentals of Airplane Flight Mechanics》
《Fundamentals of Airplane Flight Mechanics》飞机飞行力学基础
作者：David G. Hull
The University of Texas at Austin
Aerospace Engineering and Engineering Mechanics
出版社：Springer
出版时间：2007年
目录
1 Introduction to Airplane Flight Mechanics 1
1.1 Airframe Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Engine Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Trajectory Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Stability and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 Aircraft Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 3DOF Equations of Motion 16
2.1 Assumptions and Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Kinematic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Dynamic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Weight Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Discussion of 3DOF Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Quasi-Steady Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Three-Dimensional Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.8 Flight over a Spherical Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.9 Flight in a Moving Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Atmosphere, Aerodynamics, and Propulsion 43
3.1 Standard Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Exponential Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Aerodynamics: Functional Relations . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Aerodynamics: Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Angle of Attack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.1 Airfoils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.2 Wings and horizontal tails . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.3 Airplanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6 Drag Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.6.1 Friction drag coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.2 Wave drag coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.6.3 Induced drag coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.4 Drag polar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.7 Parabolic Drag Polar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Table of Contents
3.8 Propulsion: Thrust and SFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.8.1 Functional relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.8.2 Approximate formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.9 Ideal Subsonic Airplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Cruise and Climb of an Arbitrary Airplane 79
4.1 Special Flight Speeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2 Flight Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3 Trajectory Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5 Flight Envelope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.6 Quasi-steady Cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.7 Distance and Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.8 Cruise Point Performance for the SBJ . . . . . . . . . . . . . . 88
4.9 Optimal Cruise Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.9.1 Maximum distance cruise . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.9.2 Maximum time cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.10 Constant Velocity Cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.11 Quasi-steady Climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.12 Climb Point Performance for the SBJ . . . . . . . . . . . . . . 98
4.13 Optimal Climb Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.13.1 Minimum distance climb . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.13.2 Minimum time climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.13.3 Minimum fuel climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.14 Constant Equivalent Airspeed Climb . . . . . . . . . . . . . . 105
4.15 Descending Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5 Cruise and Climb of an Ideal Subsonic Airplane 108
5.1 Ideal Subsonic Airplane (ISA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 Flight Envelope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3 Quasi-steady Cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4 Optimal Cruise Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.1 Maximum distance cruise . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.2 Maximum time cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.4.3 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5 Constant Velocity Cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.6 Quasi-steady Climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.7 Optimal Climb Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
x TableofContents
5.7.1 Minimum distance climb . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.7.2 Minimum time climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.7.3 Minimum fuel climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.8 Climb at Constant Equivalent Airspeed . . . . . . . . . . . . . 122
5.9 Descending Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6 Take-off and Landing 128
6.1 Take-off and Landing Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2 High-lift Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.3 Aerodynamics of High-Lift Devices . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4 CLF , CDF , and CLmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.5 Ground Run . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.5.1 Take-off ground run distance . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.5.2 Landing ground run distance . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.6 Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.6.1 Take-off transition distance . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.6.2 Landing transition distance . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.7 Sample Calculations for the SBJ . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.7.1 Flap aerodynamics: no slats, single-slotted flaps . . . . 146
6.7.2 Take-off aerodynamics: F = 20 deg . . . . . . . . . . . 147
6.7.3 Take-off distance at sea level: F = 20 deg . . . . . . . 147
6.7.4 Landing aerodynamics: F = 40 deg . . . . . . . . . . 147
6.7.5 Landing distance at sea level: F = 40 deg . . . . . . . 148
7 PS and Turns 161
7.1 Accelerated Climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.2 Energy Climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.3 The PS Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.4 Energy Maneuverability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.5 Nonsteady, Constant Altitude Turns . . . . . . . . . . . . . . 167
7.6 Quasi-Steady Turns: Arbitrary Airplane . . . . . . . . . . . . 171
7.7 Flight Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.8 Quasi-steady Turns: Ideal Subsonic Airplane . . . . . . . . . . 178
8 6DOF Model: Wind Axes 185
8.1 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.2 Aerodynamics and Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.3 Airfoils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Table ofContents ix
8.4 Wings and Horizontal Tails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.5 Downwash Angle at the Horizontal Tail . . . . . . . . . . . . . 194
8.6 Control Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.7 Airplane Lift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.8 Airplane Pitching Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.8.1 Aerodynamic pitching moment . . . . . . . . . . . . . 202
8.8.2 Thrust pitching moment . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.8.3 Airplane pitching moment . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.9 Q Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.10 ˙ Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.11 Airplane Drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.12 Trimmed Drag Polar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9 Static Stability and Control 211
9.1 Longitudinal Stability and Control . . . . . . . . . . . . . . . 212
9.2 Trim Conditions for Steady Flight . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.3 Static Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.4 Control Force and Handling Qualities . . . . . . . . . . . . . . 218
9.5 Trim Tabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.6 Trim Conditions for a Pull-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
9.7 Lateral-Directional Stability and Control . . . . . . . . . . . . 224
10 6DOF Model: Body Axes 228
10.1 Equations of Motion: Body Axes . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.1.1 Translational kinematic equations . . . . . . . . . . . . 229
10.1.2 Translational dynamic equations . . . . . . . . . . . . . 230
10.1.3 Rotational kinematic and dynamic equations . . . . . . 231
10.1.4 Mass equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
10.1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
10.2 Equations of Motion: Stability Axes . . . . . . . . . . . . . . . 233
10.3 Flight in a Moving Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
11 Dynamic Stability and Control 237
11.1 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
11.2 Linearized Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
11.3 Longitudinal Stability and Control . . . . . . . . . . . . . . . 247
11.4 Response to an Elevator Step Input . . . . . . . . . . . . . . . 248
11.4.1 Approximate short-period mode . . . . . . . . . . . . . 252
xii TableofContents
11.4.2 Approximate phugoid mode . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.5 Response to a Gust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
11.6 CG Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.7 Dynamic Lateral-Directional S&C . . . . . . . . . . . . . . . . 257
A SBJ Data and Calculations
A.1 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2 Flight Conditions for Aerodynamic and S&C Calculations .
A.3 Aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.4 Static Longitudinal S&C, Trim Conditions . . . . . . . . . .
A.5 Dynamic Longitudinal S&C . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B Reference Conditions and Stability Derivatives
C Elements of Linear System Theory
C.1 Laplace Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.2 First-Order System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.3 Second-Order System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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